JP2009515340A - Optical device featuring a textured semiconductor layer - Google Patents
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Abstract
半導体センサ、太陽電池又はエミッターあるいはそれらの前駆体は、基板と、この基板上に堆積されたテクスチャ出しされた1以上の半導体層とを有する。このテクスチャ出しされた層は、光取り出しや光吸収を増大させる。多重量子井戸層の領域におけるテクスチャ出しは、半導体が有極性であり、そして量子井戸が極性方向に沿って成長される場合に、内部量子効率を大幅に増大させる。本願発明のLEDのエレクトロルミネセンスは、二色性であり、変色LEDを生じ、白色LEDを含み、蛍光体を使用しない。
【選択図】図5cSemiconductor sensors, solar cells or emitters or their precursors have a substrate and one or more textured semiconductor layers deposited on the substrate. This textured layer increases light extraction and light absorption. Texturing in the region of multiple quantum well layers greatly increases internal quantum efficiency when the semiconductor is polar and the quantum well is grown along the polar direction. The electroluminescence of the LED of the present invention is dichroic, yields a discolored LED, includes a white LED, and does not use a phosphor.
[Selection] Figure 5c
Description
[関連出願との相互参照]
この出願は、2005年10月31日に出願された「テクスチャ出しされた半導体層を特徴とする光学装置」なる名称の米国仮出願第60/732,034号の優先権を主張する。この出願は、また、2005年4月15日に出願された「テクスチャ出しされた半導体層を特徴とする光学装置」なる名称の米国出願第11/107,150号の部分継続出願中のものであり、これは2004年4月15日に出願された「効率的光学装置の製作用にテクスチャ出しされたIII−窒化物テンプレートの形成」なる名称の米国仮出願第60/562,489号と、2004年10月1日に出願された「効率的光学装置の製作用にテクスチャ出しされたIII−窒化物テンプレートの形成」なる名称の米国仮出願第60/615,047号と、2005年1月21日に出願された「平坦で、ひだのある量子井戸に基づいた窒化物LED」なる名称の米国仮出願第60/645,704号とに基づく優先権を主張する。
更に、この出願は、2005年4月15日に出願された「テクスチャ出しされた半導体層を特徴とする光学装置」なる名称のPCT/US/2005/012849の部分継続出願である。上記した先願のそれぞれは、ここにその開示全体を参照によって組み入れる。
[Cross-reference with related applications]
This application claims the priority of US Provisional Application No. 60 / 732,034, filed Oct. 31, 2005, entitled “Optical Device Featuring a Textured Semiconductor Layer”. This application is also a continuation-in-part of US application Ser. No. 11 / 107,150, filed Apr. 15, 2005, entitled “Optical Device Featuring Textured Semiconductor Layer”. This is a US Provisional Application No. 60 / 562,489 filed on April 15, 2004 entitled "Formation of III-Nitride Template Textured for Production of Efficient Optical Devices"; US Provisional Application No. 60 / 615,047 filed Oct. 1, 2004, entitled “Formation of Textured III-Nitride Templates for Efficient Optical Device Production”, January 2005 Claims priority based on US Provisional Application No. 60 / 645,704, filed 21 days, entitled “Flat, pleated quantum well based nitride LED”.
Further, this application is a partial continuation application of PCT / US / 2005/012849 entitled “Optical device featuring textured semiconductor layer” filed on April 15, 2005. Each of the aforementioned prior applications is hereby incorporated by reference in its entirety.
[連邦補助研究または開発に関する表明]
この発明を導いた研究の一部は、合衆国陸軍研究事務所によって与えられた契約第DAAD19−00−2−0004及び合衆国エネルギー省助成金第DE-FC26-04NT42275の下で提供された合衆国政府支援によって遂行されたものである。従って、合衆国政府はこの発明に相応の権利を有する。
[Statement on Federal Aid or Development]
Part of the research that led to this invention was supported by the US Government provided under Contract No. DAAD 19-00-2-0004 and US Department of Energy Grant No. DE-FC26-04NT42275 awarded by the US Army Research Office It was carried out by. Accordingly, the United States government has certain rights in this invention.
「背景技術」
発光ダイオード(LED)は、赤外、可視又は紫外(UV)領域の光を発生することが可能な半導体光学装置である。可視及び紫外で発光するLEDは、窒化ガリウム(GaN)と、その窒化インジウム(InN)及び窒化アルミニウム(AlN)との合金を使用して作られる。これらの装置は一般に、p−n接合として配置されたp及びn型半導体層からなる。標準的なLED装置では、半導体層は、研磨された基板、例えばGaAs又はサッファイア上に均一に成長される。典型的な半導体層は、p又はn型層となるようにドープされている窒化ガリウム(GaN)によって形成される。
"Background Technology"
A light emitting diode (LED) is a semiconductor optical device capable of generating light in the infrared, visible, or ultraviolet (UV) region. LEDs that emit in the visible and ultraviolet are made using an alloy of gallium nitride (GaN) and its indium nitride (InN) and aluminum nitride (AlN). These devices generally consist of p and n-type semiconductor layers arranged as pn junctions. In standard LED devices, the semiconductor layer is grown uniformly on a polished substrate, such as GaAs or sapphire. A typical semiconductor layer is formed by gallium nitride (GaN) doped to be a p- or n-type layer.
LEDにとって重要な性能指数は、その内部量子効率(IQE)と光取り出し効率である。典型的なLEDにとって、IQEは、多くの要因、例えば点欠陥の密度、オージェ過程及び装置設計に依存する。極性(0001)又は(000−1)方向に沿って成長される窒化物LEDの場合、内部効率はまた、内部電界によって引き起こされるn及びpドープ層間の量子井戸の歪みに起因して低減される。GaN系基準LEDの光取り出し効率は、スネルの法則から表面当たり4%であると決定される。LEDは通常、小エネルギーギャップ半導体(井戸)と広バンドギャップ半導体(障壁)とから作られたいくつかの量子井戸を有する。可視LEDは、窒化インジウムガリウム(InGaN)を井戸として使用し、またGaNを障壁として使用する。紫外LEDは、異なる組成のAlGaNを井戸及び障壁の双方に使用する。極性方向に沿って成長された窒化物半導体系のLED装置の内部量子効率(IQE)は、その量子井戸に加わる電界によって低減される。この現象は、量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)と呼ばれる。QCSEは、LEDの光放出に影響を与えて、放出波長を赤色シフトすると共に光ルミネサンス強度を低減する。基準LEDにおける光取り出し効率の幾分小さな値は、半導体層の出口界面における高屈折率の結果である。 An important figure of merit for an LED is its internal quantum efficiency (IQE) and light extraction efficiency. For a typical LED, IQE depends on many factors, such as point defect density, Auger process and device design. For nitride LEDs grown along the polar (0001) or (000-1) direction, internal efficiency is also reduced due to quantum well strain between n and p doped layers caused by internal electric fields. . The light extraction efficiency of the GaN-based reference LED is determined to be 4% per surface from Snell's law. LEDs typically have several quantum wells made from small energy gap semiconductors (wells) and wide band gap semiconductors (barriers). Visible LEDs use indium gallium nitride (InGaN) as a well and GaN as a barrier. Ultraviolet LEDs use different compositions of AlGaN for both wells and barriers. The internal quantum efficiency (IQE) of a nitride semiconductor-based LED device grown along the polar direction is reduced by an electric field applied to the quantum well. This phenomenon is called the quantum confined Stark effect (QCSE). QCSE affects the light emission of the LED, shifting the emission wavelength red and reducing the photoluminescence intensity. The somewhat smaller value of light extraction efficiency in the reference LED is a result of the high refractive index at the exit interface of the semiconductor layer.
幾らかのアプローチがLEDから光の取り出しを高めることを企てている。例えば、GaAs LEDにおいて、光の取り出しは、GaAs基板における放射光の吸収によって影響が及ぼされる。この問題の緩和のために、ひとつはエピタキシャルな離昇及びウエハ結合法を用いることができ、透過する基板までGaAs LED構造を移動することである。LED表面幾何学の最適化(例えば尖端を切った逆さにしたピラミッド)を含む、基板鏡の使用と併合した、別のアプローチは30%まで取り出し限界を推し進めている。他のアプローチは、継続的に変化する屈折率透過材料の使用を含み、境界領域で後方反射を低減する。これらのアプローチの幾つかは、製造限界があり、最後のひとつは、時がたつにつれて速い指標材料の劣化を受けることである。 Some approaches attempt to increase light extraction from the LED. For example, in a GaAs LED, light extraction is affected by the absorption of radiation in the GaAs substrate. To alleviate this problem, one can use epitaxial lift-off and wafer bonding techniques to move the GaAs LED structure to the transparent substrate. Another approach, combined with the use of substrate mirrors, including optimization of LED surface geometry (eg, inverted pyramids with sharp edges) pushes the extraction limit up to 30%. Another approach involves the use of a continuously changing refractive index transmissive material to reduce back reflection in the boundary region. Some of these approaches have manufacturing limitations and the last one is subject to rapid indicator material degradation over time.
最近、ますます引きつけるようになってきているアプローチは、ランダムに微小テクスチャ出しされた薄いフィルム表面から光子取り出しである。GaAs に基づくLEDについて室温で外部量子効率が44%を示した記録を持ち(ウインディシュ等、2000)、取り出し効率の意義がある改善がされてきている。この引例では、テクスチャ出しされた表面はリソグラフの方法を用いるLEDの成長後に形成された。そのような場合であっても、大部分の光子は、平坦な表面に対応する臨界角内の放射錐体内からなお抜き取られることとなった。従って、この値より下の取り出し井戸を改善するために、なお広い空間が存在する。 Recently, an increasingly attractive approach is photon extraction from a thin film surface that is randomly microtextured. LEDs based on GaAs have a record of an external quantum efficiency of 44% at room temperature (Windish et al., 2000), and significant improvements in extraction efficiency have been made. In this reference, the textured surface was formed after LED growth using a lithographic method. Even in such a case, most photons were still extracted from the radiation cone within the critical angle corresponding to the flat surface. Therefore, there is still a large space to improve the extraction well below this value.
GaNに基づく可視及び紫外(UV)LED 及び他のIII-窒化物材料は、フルカラー・ディスプレー、自動車の照明具、消費者電子工学バックライティング、交通信号、固体状態照明のための白色LEDとして広く使われている。様々なアプローチは白色LEDの形成の方向に用いられている。一つのアプローチは、三色LED(RGB)の使用であり、及びハイブリッド法、例えば三色蛍光体と組み合わせたUV LED、又は二色又は一色蛍光体と青色及び青色/赤色LEDを用いるどちらかのアプローチ。200lm/W以上の効率が商業的に魅力ある半導体照明である場合、最近の白色LEDの出来栄えは30lm/Wに達している。 GaN-based visible and ultraviolet (UV) LEDs and other III-nitride materials are widely used as white LEDs for full-color displays, automotive lighting, consumer electronics backlighting, traffic signals, solid state lighting. It has been broken. Various approaches are used in the direction of white LED formation. One approach is the use of tri-color LEDs (RGB), and hybrid methods such as UV LEDs in combination with tri-color phosphors, or either bi- or mono-color phosphors with blue and blue / red LEDs approach. When the efficiency of 200 lm / W or more is a commercially attractive semiconductor lighting, the white LED has recently achieved 30 lm / W.
窒化LEDの光子への電子―正孔対転換についての最新の内部量子効率(IQE)は〜21%である(ツアオ、2000)。したがって、IQEは、固体状態照射に関する応用のために60%−70%に増加する必要がある。これを成し遂げるために、最新状態の技術の多くの改善が要求される。例えば、バンドギャップ工学(量子井戸、量子ドット)は光子に対するキャリアー転換を最大限に活用することをもたらすものでなければならない。また、LED構造の種々の層での改善は欠陥密度を減少することが要求され、これによって、キャリアー輸送を改善する。このような改善は熱の発生を減少し、装置の寿命を延ばし、色彩の安定性を上昇し、寿命に対する消費者価格を削減する。 The latest internal quantum efficiency (IQE) for electron-hole pair conversion to photons in nitrided LEDs is ~ 21% (Tao, 2000). Therefore, IQE needs to be increased to 60% -70% for applications related to solid state irradiation. To achieve this, many improvements in state of the art are required. For example, bandgap engineering (quantum wells, quantum dots) must provide the best use of carrier conversion for photons. Also, improvements in the various layers of the LED structure are required to reduce defect density, thereby improving carrier transport. Such improvements reduce heat generation, increase device life, increase color stability, and reduce consumer price for life.
[発明の要約]
本発明は、光エミッター又はセンサとして、あるいは太陽電池として使用される装置を提供する。III-窒化物のような極性半導体に基づくこの発明のエミッターについては、内部量子効率(IQE)及び光取り出し効率が従来の装置に対して改良される。センサ又は太陽電池については、光源を装置内に結合する効率も改良される。一実施形態では、半導体材料は、テクスチャ出しされた(テクスチャード)最初の半導体層が成長時に基板上に堆積されることからスタートして、複数の層として堆積される。一実施形態では、この層は、基板上に成長されるときにランダムにテクスチャ出しされて、テクスチャ出しされた表面形態を有するようにする。基板とテクスチャ出しされた層は、多重的半導体層の成長用テンプレート(型板)として使用され得る。例えば、装置は、第1のテクスチャ出しされた層の上に堆積された第2の層を備えることがある。これらの層は、p及びnドーパントを伴って堆積されて、p−n接合型発光ダイオード(LED)を形成することができる。テクスチャ出しされた発光層は、光脱出を強化する。最初の半導体層は、その上に量子井戸が成長される障壁層として役立つことが好ましい。複数の半導体層の各々は、第1の成長層のテクスチャと同様になり、かくして光が取り出されるLEDの外面は、最初の半導体層とほぼ同じテクスチャを有する。
[Summary of Invention]
The present invention provides a device for use as a light emitter or sensor or as a solar cell. For emitters of this invention based on polar semiconductors such as III-nitrides, the internal quantum efficiency (IQE) and light extraction efficiency are improved over conventional devices. For sensors or solar cells, the efficiency of coupling the light source into the device is also improved. In one embodiment, the semiconductor material is deposited as multiple layers, starting with the textured first semiconductor layer being deposited on the substrate during growth. In one embodiment, this layer is randomly textured when grown on the substrate to have a textured surface morphology. The substrate and textured layer can be used as a template for growth of multiple semiconductor layers. For example, the device may comprise a second layer deposited over the first textured layer. These layers can be deposited with p and n dopants to form a pn junction light emitting diode (LED). The textured light emitting layer enhances light escape. The first semiconductor layer preferably serves as a barrier layer on which the quantum well is grown. Each of the plurality of semiconductor layers is similar to the texture of the first growth layer, and thus the outer surface of the LED from which light is extracted has approximately the same texture as the initial semiconductor layer.
複数の障壁及び量子井戸層を備えた多重量子井戸は、それぞれが本来のテクスチャを複製する複数の半導体層を交互にしながら、互いの上に堆積されることが好ましい。障壁及び井戸層を通して複製されたテクスチャ出しは、量子井戸の位置を変えて、それらの表面が[0001]極性方向と直交しないようにする。かくして、量子井戸は、それらの方形井戸形状をほぼ維持する。何故ならば、それらは、極性化に起因する内部電界によっては歪まされないからである。この結果、正孔及び電子の波動関数は重なって、効率的な再結合に導き、かくして劇的にIQEを改善する。 Multiple quantum wells with multiple barriers and quantum well layers are preferably deposited on top of each other, alternating with multiple semiconductor layers, each replicating its original texture. Textured replication replicated through the barrier and well layers changes the position of the quantum wells so that their surfaces are not orthogonal to the [0001] polar direction. Thus, quantum wells substantially maintain their rectangular well shape. This is because they are not distorted by an internal electric field due to polarization. As a result, the hole and electron wave functions overlap, leading to efficient recombination, thus dramatically improving IQE.
この発明の装置は、基板、例えばシリコン(Si)、ヒ化ガリウム(GaAs)、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム(InN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)、窒化インジウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、窒化インジウムガリウムアルミニウム(InAlGaN)、炭化シリコン、酸化亜鉛、サファイア及びガラスからなることができる。サファイア基板は、その上に層が堆積される前に、窒化されることもある。 The apparatus of the present invention includes a substrate such as silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), indium nitride (InN), aluminum gallium nitride (AlGaN), indium gallium nitride, It can consist of indium aluminum nitride, indium gallium aluminum nitride (InAlGaN), silicon carbide, zinc oxide, sapphire and glass. The sapphire substrate may be nitrided before a layer is deposited thereon.
GaNテンプレート上に、あるいは全成長プロセス中でもう1つの層の上に成長される半導体層は、任意の好適なプロセスによって堆積され得る。そのような堆積プロセスの例には、水素化物気相成長法(HVPE)、分子線エピタキシ法(MBE)、有機金属化合物気相成長法(MOCVD)、液相成長法及びレーザアブレーションがある。半導体装置の層は、III−窒化物材料、例えばGaN、AlN、InN又はこれら材料の任意の組み合わせからなることができる。基板は、層成長の前にあるいは基板上の第1の半導体層がテクスチャ出しされた表面を有するというような成長の適切な条件を選択することによって、テクスチャ出しされることができる。 The semiconductor layer grown on the GaN template or on another layer during the entire growth process can be deposited by any suitable process. Examples of such deposition processes include hydride vapor phase epitaxy (HVPE), molecular beam epitaxy (MBE), organometallic compound vapor phase epitaxy (MOCVD), liquid phase epitaxy and laser ablation. The layer of the semiconductor device can be made of a III-nitride material such as GaN, AlN, InN or any combination of these materials. The substrate can be textured prior to layer growth or by selecting appropriate growth conditions such that the first semiconductor layer on the substrate has a textured surface.
半導体層は、ドーパントを含んで、この層がp又はn型になることができる。例示的なドーパントには、ベリリウム、セレン、ゲルマニウム、マグネシウム、亜鉛、カルシウム、Si、イオウ、酸素又はこれらドーパントの組み合わせがある。1つの層は、単結晶又は多結晶の層である。この発明の装置は、いくつかのp及びn型層と、一般に層成長を促進する1以上の緩衝層を含むことができる。例示的な緩衝層は、GaN半導体層である。緩衝層は、基板上又は半導体層間に堆積される。 The semiconductor layer includes a dopant, which can be p-type or n-type. Exemplary dopants include beryllium, selenium, germanium, magnesium, zinc, calcium, Si, sulfur, oxygen, or combinations of these dopants. One layer is a monocrystalline or polycrystalline layer. The device of the present invention can include several p and n-type layers and one or more buffer layers that generally facilitate layer growth. An exemplary buffer layer is a GaN semiconductor layer. The buffer layer is deposited on the substrate or between the semiconductor layers.
この発明の装置用の半導体層は、約10オングストローム(Å)から100ミクロン(μm)までの厚さに堆積される。GaNテンプレートと堆積層のテクスチャ出しは、約100ナノメータ(nm)から5μmまでの平均的な山−谷距離を有する。 The semiconductor layer for the device of the present invention is deposited to a thickness of about 10 Angstroms (Å) to 100 microns (μm). The GaN template and deposited layer texturing has an average peak-valley distance of about 100 nanometers (nm) to 5 μm.
本発明はまた、この発明の半導体装置を製作する方法を提供する。この方法は、基板を与える工程と、第1の半導体層を基板の表面上に成長する工程と備える。第1の層は、成長時に自然にランダムにテクスチャ出しされるか、テクスチャ出しされた基板表面によってランダムにテクスチャ出しされる。基板又は第1の層は、それからテンプレートとして、テンプレートと同じテクスチャを有した他の半導体層を堆積することに使用されうる。好ましい実施形態では、製作方法は、いくつかの量子井戸を成長させる工程を有する。多重量子井戸は、第1の層、基板又はそれらの組み合わせによってテクスチャ出しされる。
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面に関連してなされる以下の発明の詳細な説明から明らかとなる。
The present invention also provides a method for fabricating the semiconductor device of the present invention. The method includes providing a substrate and growing a first semiconductor layer on the surface of the substrate. The first layer is naturally textured randomly when grown, or is randomly textured by the textured substrate surface. The substrate or first layer can then be used as a template to deposit other semiconductor layers having the same texture as the template. In a preferred embodiment, the fabrication method comprises growing several quantum wells. The multiple quantum well is textured by the first layer, the substrate, or a combination thereof.
Other features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the invention, taken in conjunction with the accompanying drawings.
[発明の詳細な説明]
本発明のLEDや光検出器は、外部光取り出し効率及び内部量子効率(IQE)の一方又は双方が改良されている。光取り出し効率は、最初の半導体基板層からの層を適用するプロセスによって典型的に複製されるテクスチャ出しされた放出表面によって改良されている。更に、本発明のLEDは、その色がLEDを通るバイアス電流によって制御される二色エレクトロルミネセンス・スペクトルを有する。
Detailed Description of the Invention
One or both of the external light extraction efficiency and the internal quantum efficiency (IQE) are improved in the LED and photodetector of the present invention. Light extraction efficiency is improved by a textured emission surface that is typically replicated by the process of applying a layer from the initial semiconductor substrate layer. Furthermore, the LED of the present invention has a two-color electroluminescence spectrum whose color is controlled by a bias current through the LED.
成長速度の制御と適切な堆積手順の使用により、テクスチャ出しされた表面層を最初の基板上に形成することができる。このテクスチャは、後続の層が適用されるときにそれらの層を通して複製され、その結果、大幅に改良された光取り出し効率を有する放出層を生じる。最終表面のテクスチャ出しも、下地の基板を別にテクスチャ出しするか、あるいは深い溝で装飾された未研磨の基板を使用することによって達成可能である。何故ならば、ウエハは通常インゴットからソーを使用して切断されるからである。 By controlling the growth rate and using an appropriate deposition procedure, a textured surface layer can be formed on the initial substrate. This texture is replicated through those layers as subsequent layers are applied, resulting in an emissive layer with significantly improved light extraction efficiency. Texturing of the final surface can also be accomplished by texturing the underlying substrate separately or by using an unpolished substrate decorated with deep grooves. This is because the wafer is usually cut from the ingot using a saw.
LEDの内部量子効率(IQE)の改良は、p−n接合に、多重量子井戸(MQW)を組込むことによって達成される。この結果、p及びn側からそれぞれ注入された電子及び正孔がより良好に閉じ込められ、かくしてより効率的な再結合が生じる。 Improvement of the internal quantum efficiency (IQE) of the LED is achieved by incorporating multiple quantum wells (MQW) in the pn junction. As a result, electrons and holes injected from the p and n sides, respectively, are better confined and thus more efficient recombination occurs.
量子井戸を含んだ半導体装置が極性方位上に成長されるとき、生じる量子井戸は歪められ、電子及び正孔の分離が生じる。このことにより、電子−正孔領域は遠くに離れて配置され、光を発生する電子−正孔再結合の効率を低減する。この発明のLEDは、テクスチャ出しされた表面上に量子井戸を成長させることによって、この欠損を克服する。このように、量子井戸は歪まされることはなく、かくして井戸中の電子及び正孔はより効率的に再結合する。 When a semiconductor device including a quantum well is grown in a polar orientation, the resulting quantum well is distorted, resulting in electron and hole separation. As a result, the electron-hole region is located far away, reducing the efficiency of electron-hole recombination that generates light. The LED of the present invention overcomes this deficiency by growing quantum wells on the textured surface. In this way, the quantum well is not distorted and thus the electrons and holes in the well recombine more efficiently.
本発明に係るLEDの一実施形態では、LEDは、基板2上に形成される。図1並びに図2a及び2bに示され、そして以下で更に十分に論じられるように、テクスチャ出しされた半導体層4が基板上に堆積される。この層は、基板上に成長されるときにテクスチャ出しされ、テクスチャ出しされた表面トポロジー(又は形態学)10を有するようになる。基板及びテクスチャ出しされた層は、LEDを形成するための多重半導体層の成長用テンプレートとして使用される。そのようなテクスチャ出しされたAlNテンプレートは、紫外LEDを製造することにも使用できる。例えば、1つの装置は、第1のテクスチャ出しされた層上に堆積された第2の層を備えることもできる。これらの層は、ドープされて、発光ダイオード(LED)用のp−n接合を形成することが可能である。適切なドーパントには、セレン、ゲルマニウム、亜鉛、マグネシウム、ベリリウム、カルシウム、Si、イオウ、酸素又はそれらの任意の組み合わせがある。半導体層の各々は、第1の成長層及びそのテクスチャ出しされた表面からの複製によってテクスチャ出しされ、改良された取り出し効率のテクスチャ出しされた放出表面を有することができる。
In one embodiment of the LED according to the present invention, the LED is formed on the
別の実施形態では、図3a,b、図4a,b並びに図5a,bに示され、そして以下で更に十分に論じられるように、複数の障壁及び量子井戸層を備えた多重量子井戸が、装置のn及びpドープ層間で、半導体層を交互にして、互いの上に堆積されている。ここで使用する「量子井戸」の用語は、隣接する障壁層と共に合わさった量子井戸層に関する。多重量子井戸は、第1の層の上に成長されるときに、その層のテクスチャ出しされた表面からの複製によってテクスチャ出しされる。 In another embodiment, as shown in FIGS. 3a, b, 4a, b and FIGS. 5a, b and discussed more fully below, a multiple quantum well comprising a plurality of barriers and quantum well layers comprises: Alternating semiconductor layers are deposited on top of each other between the n and p doped layers of the device. As used herein, the term “quantum well” relates to a quantum well layer combined with an adjacent barrier layer. When multiple quantum wells are grown on a first layer, they are textured by replication from the textured surface of that layer.
殆どの場合、テクスチャ出しされた層と量子井戸との間に、厚さ可変のnドープAlGaNクラッド層が成長される。 In most cases, a variable thickness n-doped AlGaN cladding layer is grown between the textured layer and the quantum well.
第1の層の成長に使用される好適な基板は、この技術分野では知られている。例示的基板には、サファイア、ヒ化ガリウム(GaAs)、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン(Si)及びガラスがある。例えば、好ましい基板は、(0001)酸化亜鉛、(111)Si、(111)GaAs、(0001)GaN、(0001)AlN、(0001)サファイア、(11−20)サファイア及び(0001)炭化シリコンであり得る。 Suitable substrates used for the growth of the first layer are known in the art. Exemplary substrates include sapphire, gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), silicon carbide, zinc oxide, silicon (Si), and glass. For example, preferred substrates are (0001) zinc oxide, (111) Si, (111) GaAs, (0001) GaN, (0001) AlN, (0001) sapphire, (11-20) sapphire, and (0001) silicon carbide. possible.
この発明の装置用の基板は、成長された表面を化学的に清浄化することによる半導体層成長用に準備され得る。基板の成長表面は、オプションで研磨されてもよい。基板はまた、層成長に先行して加熱して脱ガスされてもよい。基板の表面は、参照によりここに組み入れられる米国特許第6,953,703号に開示されているように、オプションで窒化されることも可能である。切断された状態の未研磨、未処理の基板上での成長は、その上にテクスチャ出しされた表面を成長することを促進する。 The substrate for the device of the present invention can be prepared for semiconductor layer growth by chemically cleaning the grown surface. The growth surface of the substrate may optionally be polished. The substrate may also be heated and degassed prior to layer growth. The surface of the substrate can optionally be nitrided as disclosed in US Pat. No. 6,953,703, incorporated herein by reference. Growth on an unpolished, untreated substrate in a cut state facilitates growing a textured surface thereon.
半導体層は、いくつかのプロセス、例えば水素化気相成長法(HVPE)、有機金属化合物気相成長法(MOCVD)または分子線エピタキシ法(MBE)、液相成長法(LPE)、レーザアブレーション及びこれら方法の変形例によって成長され得る。典型的な成長プロセスは、参照によりここに組み入れられる米国特許第5,725,674号、第6,123,768号、第5,847,397号及び第5,385,862号に開示されている。半導体層はまた、窒化物層を生じる窒素の存在下でも成長され得る。窒化物層の例には、GaN、InN、AlN及びそれらの合金がある。 The semiconductor layer can be formed by several processes, such as hydrogenated vapor deposition (HVPE), metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE), liquid phase epitaxy (LPE), laser ablation and It can be grown by variations of these methods. Exemplary growth processes are disclosed in US Pat. Nos. 5,725,674, 6,123,768, 5,847,397 and 5,385,862, incorporated herein by reference. Yes. The semiconductor layer can also be grown in the presence of nitrogen resulting in a nitride layer. Examples of nitride layers include GaN, InN, AlN, and alloys thereof.
図1は、この発明の半導体装置の部分的表現である。好ましい実施形態では、この装置は、テクスチャ出しされ、基板2と、その上に成長されるときにテクスチャ出しされた第1の層4とを備える。基板2は、最初にテクスチャ出しされているか、あるいは平滑に研磨され得る。第1の層4は、基板2上に成長されるときにテクスチャ出しされて、テクスチャ出しされた表面トポロジー10を有する。第1の層は、変形HVPE堆積プロセスによって成長されて、テクスチャ出しされた表面10を生じることが好ましい。変形HVPEプロセスは、成長されるときにテクスチャ出しされた第1の層を、その層の欠陥領域を増強塩酸(HCl)濃度でエッチングすることによって、部分的に生じさせる。変形HVPEプロセスのHCl濃度は、以下で例示されるように、典型的な堆積プロセスのものよりも実質的に高い。
FIG. 1 is a partial representation of a semiconductor device of the present invention. In a preferred embodiment, the apparatus comprises a
一実施形態では、第1の層4は、III族窒化物の層からなる半導体層であり得る。この層4は、以下で示されるように、堆積中の好適なドープによってp又はn型とされた半導体層であることが好ましいが、それはまたAlNのような絶縁層でもよく、あるいは両者でもよい。層4は、参照によりここに組み入れられる米国特許第5,686,738号に記載されているように、オプションで、基板上に堆積された緩衝層の上に成長され得る。
In one embodiment, the
基板2及び層4の厚さは、広い範囲をカバーできるものであるが、層4の厚さは、その表面に複製されたテクスチャ出しの程度に影響を及ぼすものである。例えば、厚さ100μmの層は、約100nm〜5μmの山−谷テクスチャ距離を有することができる。半導体層のテクスチャ出しは、その層の上に成長されてテクスチャを複製するLED層の光取り出し特性に影響を与える。半導体層4は、典型的には成長時にランダムにテクスチャ出しされる。層4は、単結晶又は多結晶の材料である。
The thicknesses of the
図2aは、図1の装置上に成長された第2の層8を示す。この層8は、任意の好適な堆積プロセスによって成長される。第2の層は、第1の層4のテクスチャ出しされた表面10の上に成長される。第2の層8は、図2bに示されるように、第1の層4のテクスチャ出しされた表面トポロジー10を埋め込むほど厚くないことが好ましい。第2の層8は、図2aに示されるように、層4による複製によってテクスチャ出しされた上面9を有することが好ましい。
FIG. 2a shows a
層8は、III族窒化物からなる半導体層であることが好ましい。第2の層8は、層4のドーピングとは逆の典型的にp又はn型半導体層である。第2の層8は、単結晶又は多結晶の半導体層である。一実施形態では、第1及び第2の層4及び8のドーピングは、光センサ又はエミッタとして使用されるp−n接合3を形成する。これらの装置は、電子ディスプレイ、固体状態ライト、コンピュータ又はソーラーパネル用に使用され得る。電極11及び13は、この技術分野でそのような用途について知られているように、層4及び8に接続される。
The
図3a及び3bは、図1の装置上に成長された多重量子井戸6を有するLEDの部分的表現である。量子井戸6は、第1の層4の表面トポロジーによってテクスチャ出しされている。上述したように、第1の層4は、基板2上に成長されるときにテクスチャ出しされ得る。一実施形態では、多重量子井戸6は、1以上の障壁層5と量子井戸層7とを交互に備える。
3a and 3b are partial representations of an LED having multiple quantum wells 6 grown on the device of FIG. The quantum well 6 is textured by the surface topology of the
いくつかの障壁層5及び量子井戸層7は、テクスチャ出しされた第1の層4をそれぞれ複製する半導体層を交互にすることによって成長され得る。例えば、量子井戸は、第1の層4の上に成長された障壁層5によって形成され得る。それから量子井戸層7は、障壁層5の上に成長される。それから第2の障壁層5は、量子井戸層7の上に成長され、その上に第2の量子井戸層が成長される。一実施形態では、量子井戸層7及び第1の層4は、組成が一致させられている。障壁層5は、第1の層4及び量子井戸層7の双方とは異なる組成を有することができる。
Several barrier layers 5 and quantum well layers 7 can be grown by alternating semiconductor layers each replicating the textured
障壁層5は、1以上のIII−V族窒化物の化合物を備えることができる。一実施形態では、1以上の障壁層5は、AlGaNである。同様に、1以上の量子井戸層7は、III族窒化物、例えばGaNであるか、又はもう1つのIII−V族化合物である。これらの層はまた、任意の好適な堆積プロセスによって成長させられる。これらの層は、単結晶又は多結晶の層である。
The
それぞれの層の厚みは、その下の層をテクスチャ出して上記表面を複製するために典型的に充分に薄い。これらの層に関するテクスチャ出しの度合いは、内部量子効率(IQE)及び光取り出し効率に影響を与える。この発明の装置は、1〜20個の量子井戸を備えて、複数の障壁層5及び量子井戸層7を構成することが好ましい。
The thickness of each layer is typically thin enough to texture the underlying layer and replicate the surface. The degree of texturing for these layers affects internal quantum efficiency (IQE) and light extraction efficiency. The device of the present invention preferably comprises 1 to 20 quantum wells and constitutes a plurality of
図3a及び3bは、テクスチャ出しされた多重量子井戸6上に成長された上部半導体層8も示している。この層8は、既知の堆積プロセスによって成長され得る。この層は、テクスチャ出しされた層9(図3a)であるか、第1の層4のテクスチャ出しされた表面トポロジーを埋め込むように厚いものである(図3b)か、それを研磨したものである。
FIGS. 3 a and 3 b also show the
層8は、III族窒化物からなる半導体層であることが好ましい。上層8もまた、層4とは逆のp又はn型半導体層であって、p−n接合を形成する。このp−n接合は、半導体装置、例えばLEDや光検出器として機能することを可能にする。上層8は、単結晶又は多結晶の半導体層である。多重量子井戸6もまた、成長時にテクスチャ出しされた障壁層5及び量子井戸層7を備えることができる。例えば、層5及び7は、例えばHVPE、MBE、又はMOCVDのような堆積プロセスによって成長され得る。
The
図3aに示された装置構造は、通常の装置の効率よりもかなり高い内部量子効率及び外部光取り出し効率を呈することが可能である。図3bの装置は、内部量子効率(IQE)の増加を全体的に有する。 The device structure shown in FIG. 3a can exhibit an internal quantum efficiency and an external light extraction efficiency that are significantly higher than those of conventional devices. The device of FIG. 3b has an overall increase in internal quantum efficiency (IQE).
この発明の装置は、100%に近い光取り出し効率を有することが可能である。同様に、そのような装置は、50〜60%或いはそれ以上の範囲の内部量子効率(IQE)を有することがある。 The device of the present invention can have a light extraction efficiency close to 100%. Similarly, such a device may have an internal quantum efficiency (IQE) in the range of 50-60% or more.
図4a及び4bは、最初にテクスチャ出しされた表面を有する基板を備えた装置を示している。第1の層4に後続する層は、テクスチャ出しされた基板2上に堆積されて、上面が複製によってテクスチャ出しされる。
Figures 4a and 4b show a device with a substrate having an initially textured surface. The layer following the
図4aの装置は、層8上のテクスチャ表面9を備えるか、あるいは図4bでは、その実施形態においてテクスチャ出しされていない層を備える。
The device of FIG. 4a comprises a textured surface 9 on the
代替実施形態では、基板は、図示のように、例えば図5aでは、上述したものと実質的に同じ手順を使用して、テクスチャ出しされた上下双方の表面9及び15を有する。図5bでは、底層2だけを備え、表面15は、テクスチャ出しされ、そして放出表面として機能することができる。
In an alternative embodiment, the substrate has both textured upper and
例えば、図5cは、サファイア基板2上の平坦なAlNテンプレート4aを使用したLEDである。AlNテンプレートと量子井戸及び障壁層7及び5との間には、クラッド又はコンタクト層として知られる厚いAlGaN層4bがある。この層は、ここで説明される発明の他の形態と共に使用され得る。それらの上にあるのは、それぞれAlGaN及びGaNのpドープ層8a及び8bである。層4b及び8bは、電気コネクタ11及び13を受けて、サファイア基板2を通して下向きに光取り出しを行う。層8aは、ここで説明される発明の他の形態と共に使用され、そして電子遮蔽層として機能して電子の損失を防止する。層5及び7は、明瞭化のために平坦に示されているが、望み通りに、ひだがつけられている、と理解されるべきである。
For example, FIG. 5 c is an LED using a
本発明はまた、この発明の半導体装置を製作する方法を提供する。この方法は、基板を与える工程と、第1の半導体層を基板の表面上に成長する工程と備える。第1の層は、以下で説明されるように、成長時にランダムにテクスチャ出しされ、成長後に石版でテクスチャ出しされ、又はランダムにテクスチャ出しされた基板表面によってテクスチャ出しされる。それから基板又は第1の層は、テンプレートとして、他の半導体層を堆積してテクスチャ出しすることに使用され得る。そのようなテンプレートは、この製造段階で販売され、他のものが、多層化を完了して、そのテクスチャを放出層まで複製できるようにする。 The present invention also provides a method for fabricating the semiconductor device of the present invention. The method includes providing a substrate and growing a first semiconductor layer on the surface of the substrate. The first layer is randomly textured during growth, textured with a slab after growth, or textured with a randomly textured substrate surface, as described below. The substrate or first layer can then be used as a template to deposit and texture other semiconductor layers. Such templates are sold at this manufacturing stage, allowing others to complete the multi-layering and replicate the texture to the release layer.
好ましい実施形態では、製作方法は、いくつかの量子井戸を成長させる工程を有する。この場合、当該井戸は、半導体層を交互に設けながら堆積され得る障壁及び量子井戸層の双方を備える。多重量子井戸は、第1の層、基板又はそれらの組み合わせによってテクスチャ出しされる。 In a preferred embodiment, the fabrication method comprises growing several quantum wells. In this case, the well includes both a barrier and a quantum well layer that can be deposited with alternating semiconductor layers. The multiple quantum well is textured by the first layer, the substrate, or a combination thereof.
本発明は特別なテクスチャを有す厚いGaN及び他のIII窒化物フィルム(テンプレート)を基板上に形成する方法を記述している。このように自発的に形成したテクスチャ出しされた窒化物テンプレートは、高効率の装置、例えばIII窒化物発光ダイオード(LED)、太陽電池及び光検出器の発展のために基板として使われる。このような装置の高効率は二つの効果による。
(a)LEDについては有効な光取り出し、及び太陽電池及び光検出器の場合については材料中への光の有効な結合。
(b)極性効果の抑制によるテクスチャ出しされたIII窒化物MQWに基づくLEDのIQEにおける改善。
The present invention describes a method of forming thick GaN and other III nitride films (templates) with special textures on a substrate. The textured nitride template thus formed spontaneously is used as a substrate for the development of high efficiency devices such as III nitride light emitting diodes (LED), solar cells and photodetectors. The high efficiency of such a device is due to two effects.
(A) Effective light extraction for LEDs, and effective coupling of light into the material for solar cells and photodetectors.
(B) Improvement in IQE of LEDs based on textured III-nitride MQW by suppressing polarity effect.
本発明は、HVPE、MOCVD、及びMBEによる窒化物フィルムの成長の間の、テクスチャ出しされたIII族窒化物テンプレートを調整する方法に関する。また、このようなテクスチャ出しされた窒化物テンプレートは、より有効な取り出し効率だけでなく改善されたIQEをもつLED構造の成長及び制作のための基板として使われる。さらにまた、このようなテクスチャ出しされたテンプレート上に作られたLED、太陽電池及び光検出器のようなその他の装置は、改善された効率も持つだろう。共通に所有された米国特許5,385,862、5,633,192、5,686,738、6,123,768、5,725,674を参照としてここに示す。 The present invention relates to a method for preparing a textured III-nitride template during growth of nitride films by HVPE, MOCVD, and MBE. Also, such textured nitride templates are used as substrates for the growth and fabrication of LED structures with improved IQE as well as more effective extraction efficiency. Furthermore, other devices such as LEDs, solar cells and photodetectors made on such textured templates will also have improved efficiency. Commonly owned US Pat. Nos. 5,385,862, 5,633,192, 5,686,738, 6,123,768, 5,725,674 are hereby incorporated by reference.
LEDの内部効率が固有の材料及び装置設計特性である場合、このような装置の外部効率は半導体から光取り出し効率の尺度である。GaN屈折率及び取り巻く物質(通常は空気)の間の大きな相違は、活性物質内に生じた光の大部分について合計された内部反射を生じる。GaNの屈折率(n=2.5)について、内部光が漏れ出る円錐形は、sinθ=1/n、又はθ=23.5°の臨界角内でスネルの法則により限定される。それは固体角に対して取り出された放射物の合計を限定する。
Ω=2Π(1−cosθ)
Where the internal efficiency of the LED is an inherent material and device design characteristic, the external efficiency of such a device is a measure of the light extraction efficiency from the semiconductor. The large difference between the GaN index of refraction and the surrounding material (usually air) results in total internal reflection for most of the light generated in the active material. For the refractive index of GaN (n = 2.5), the conical shape through which internal light leaks is limited by Snell's law within the critical angle of sin θ = 1 / n, or θ = 23.5 °. It limits the total amount of radiation extracted for a solid angle.
Ω = 2Π (1-cosθ)
ここで、半導体から漏出しうる光の総分率は、前式を4Πで割ることにより計算されうる。
Ω/4Π=1/2(1−cosθ)
この式により、入射放射物の4%のみがGaNに基づくLEDに抜き取られる。ここで、LEDにおいて、内部的に反射した放射物の大部分は再吸収されるが、これは、レーザー光線を発する閾値以下で作用するLEDにおいてであるからであり、パーパス刺激利得はパーパス吸収損失より少ない。
Here, the total fraction of light that can leak from the semiconductor can be calculated by dividing the previous equation by 4Π.
Ω / 4Π = 1/2 (1-cosθ)
This formula extracts only 4% of the incident radiation into the GaN based LED. Here, in the LED, most of the internally reflected radiation is reabsorbed, because this is in the LED that operates below the threshold for emitting a laser beam, and the purpose stimulation gain is less than the purpose absorption loss. Few.
III窒化物テンプレートの形成及びこのようなテンプレート上の窒化物装置のエピタキシャルな成長が、例えば、以下にのべられるような、三種の異なるエピタキシャルな方法を用いてもたらされる。 The formation of the III nitride template and the epitaxial growth of the nitride device on such a template is effected using three different epitaxial methods, for example as described below.
HVPE法はGaN又はAlNの外見上の基板(テンプレート)の開発のために使用される。この堆積法はGaClの形で基板にGaを移動するためにHClを用いる。HClの存在でGaNの成長は、多くの付加的利点ももつ。HClは成長フィルムの表面から過剰なGaをエッチングし、そしてこれは高成長率(100−200〜μ/時)を可能にする。それは、六角ドメインの境界に、このような領域の不完全な合体により、最初に生じる欠陥のあるGaNをもエッチングする。結局、別の利点は金属不純物の洗脱であり、これはたいていの半導体における再結合中心に貢献するのに役に立つ。このように、この方法は非常に高品質なGaNフィルムをもたらす。 The HVPE method is used for the development of GaN or AlN apparent substrates (templates). This deposition method uses HCl to transfer Ga to the substrate in the form of GaCl. The growth of GaN in the presence of HCl also has many additional advantages. HCl etches excess Ga from the surface of the growth film, and this allows for high growth rates (100-200-μ / hr). It also etches initially defective GaN at the hexagonal domain boundaries due to incomplete coalescence of such regions. After all, another advantage is the scavenging of metal impurities, which helps to contribute to recombination centers in most semiconductors. Thus, this method results in a very high quality GaN film.
この発明によりテクスチャ出しされたGaNテンプレートは、変形HVPEプロセスによって成長される。このGaNテンプレートは、変形HVPEリアクタを通して成長されうる。このリアクタ内において、III族前駆体はGaClガスでありうるもので、これは、Gaを含有した石英ボート上を流れるHClによって、約500℃〜1000℃の温度で上流に合成される。それからGaClガスは、下流の基板ウエハの表面付近で、アンモニア(NH3)と混合され、約900℃〜1200℃の温度でGaNを形成する。この発明のGaN又はAlN又はAlGaNテンプレートは、極性方向及び非極性方向に沿って成長され得る。テンプレートはまた、立方対称性を有する基板、例えば(100)Siや(001)GaAsを選択することによって、それらの立方構造内で成長することができる。この場合、その上に成長される後続の窒化物層は、同様に立方対称性を有する。 The GaN template textured according to the invention is grown by a modified HVPE process. This GaN template can be grown through a modified HVPE reactor. Within this reactor, the group III precursor can be GaCl gas, which is synthesized upstream at a temperature of about 500 ° C. to 1000 ° C. by HCl flowing over a quartz boat containing Ga. The GaCl gas is then mixed with ammonia (NH 3 ) near the surface of the downstream substrate wafer to form GaN at a temperature of about 900 ° C. to 1200 ° C. The GaN or AlN or AlGaN template of this invention can be grown along polar and non-polar directions. Templates can also be grown in their cubic structure by selecting substrates with cubic symmetry, such as (100) Si or (001) GaAs. In this case, the subsequent nitride layer grown thereon also has cubic symmetry.
変形リアクタは、一般的に4つのゾーンに分割され、各ゾーンの温度は、個別に制御可能である。このリアクタはまた、反応原系ガス及び希釈剤用に3つの別々の配送チューブを有する。窒素や水素は、NH3及びHClに対する希釈剤及びキャリヤガスとして使用される。窒素は、中間チューブを通して送られ、このチューブは、下流ガスシースとして作用して、GaCl及びNH3ガスが、基板表面に接触する前に、混合されることを防止する。GaN層のテクスチャ出しは、HClのエッチング効果の結果であり得る。例えば、テクスチャ出しは、HClが成長中の層の表面からGaをエッチングするときに起こる。HClはまた、第1の層の境界ドメインにおいて欠陥のあるGaNをエッチングする。変形HVPEプロセスのHCl濃度は、テクスチャ出しが回避された典型的な堆積プロセスのそれよりも実質的に高い。 The deformation reactor is generally divided into four zones, and the temperature of each zone can be individually controlled. The reactor also has three separate delivery tubes for the reactant gas and diluent. Nitrogen and hydrogen are used as diluents and carrier gases for NH 3 and HCl. Nitrogen is routed through an intermediate tube that acts as a downstream gas sheath to prevent GaCl and NH 3 gas from being mixed before contacting the substrate surface. The texturing of the GaN layer can be the result of the etching effect of HCl. For example, texturing occurs when HCl etches Ga from the surface of the growing layer. HCl also etches defective GaN in the boundary domain of the first layer. The HCl concentration of the modified HVPE process is substantially higher than that of a typical deposition process where texturing is avoided.
テクスチャ出しされたGaNテンプレートは、III族前駆体に対するNH3の流率によって制御される約30〜200μm毎時の範囲の高成長速度条件下で成長され得る。この流率は、典型的には約300〜10である。テンプレートの成長は、GaClガスによって基板を前処理するか、又はサファイア表面を1000℃で短時間(窒化物化)アンモニアに曝すことにより、次いで薄いGaN緩衝層を550℃〜650℃で成長させることによって行われる。それから成長領域は、GaNの高温エピ層成長用に約1070℃まで勾配をつけられる。基板もまた、スパッタされた酸化亜鉛を伴う成長に先行して、前処理され得る。酸化亜鉛の普通の厚さは、約500Å〜1500Åである。それからテンプレートの成長は、チャンバを成長温度まで加熱し、更に成長を開始するために反応系ガスを流すことによって行われる。 The textured GaN template can be grown under high growth rate conditions in the range of about 30-200 μm per hour controlled by the flow rate of NH 3 relative to the group III precursor. This flow rate is typically about 300-10. Template growth can be done by pre-treating the substrate with GaCl gas or by exposing the sapphire surface to 1000 ° C. for a short time (nitrided) ammonia and then growing a thin GaN buffer layer at 550 ° C. to 650 ° C. Done. The growth region is then graded to about 1070 ° C. for high temperature epilayer growth of GaN. The substrate can also be pretreated prior to growth with sputtered zinc oxide. The typical thickness of zinc oxide is about 500-1500. The template is then grown by heating the chamber to the growth temperature and flowing a reaction gas to initiate further growth.
MOCVDはGaNに基づくLEDの成長のための工業によって最近、使用される方法である。この方法はNH3とIII族アルキル(例えば(CH3)3Ga又は(C2H5)3Ga)の反応によって窒化物を製造する。この方法の一つの問題はNH3の高い消費量に起因している費用である。1μ/時間におけるGaNフィルムの成長は5〜10lpm(=リッター/分)のNH3を要する。 MOCVD is a recently used method by the industry for the growth of GaN based LEDs. This method produces a nitride by reaction of NH 3 with a group III alkyl (eg, (CH 3 ) 3 Ga or (C 2 H 5 ) 3 Ga). One problem with this method is the cost due to the high consumption of NH 3 . Growth of GaN film at 1 μ / hour requires 5-10 lpm (= liter / min) of NH 3 .
MBE法は、RF又はマイクロ波プラズマの種々の形成による活性化された分子状窒素とIII族元素の反応によってIII窒化物を形成する。他にとるべきアプローチは、加熱した基板上でのアンモニアとIII族元素の反応である。III族元素は流出セルから蒸発させられるか、III族アルキルの形で供給されるかである。MBE法によって製造された生成物は処理量の収率の問題のためにより高額であると一般的に信じられている。しかしながら、窒化物の成長において、費用の重要な部分は窒素前駆体の消費によって決定される。窒化物装置のMBE成長の間、1〜50sccm(標準cc/分)近くの窒素又はアンモニアを使うが、これはMOCVD成長の間使用されるものより数オーダー低い。これとMBE製造装置が多重ウエハ堆積系を使用すると言う事実は、安価な窒化物装置の開発のためにMBE法を魅力のあるものとする。InGaNに基づくレーザーダイオードは最近MBE法によって製造されている。(フーパー等、エレクトロニクス レターズ、第40巻、2004年1月8日)
The MBE method forms III nitrides by reaction of activated molecular nitrogen with group III elements by various formations of RF or microwave plasma. Another approach to take is the reaction of ammonia and group III elements on a heated substrate. Group III elements are either evaporated from the effluent cell or supplied in group III alkyl form. It is generally believed that the products produced by the MBE process are more expensive due to throughput yield issues. However, in nitride growth, an important part of the cost is determined by consumption of the nitrogen precursor. During MBE growth of nitride devices, nitrogen or ammonia near 1-50 sccm (standard cc / min) is used, which is several orders of magnitude lower than that used during MOCVD growth. This and the fact that MBE manufacturing equipment uses a multi-wafer deposition system makes the MBE process attractive for the development of inexpensive nitride equipment. Laser diodes based on InGaN have recently been manufactured by the MBE method. (Hooper, Electronics Letters,
本発明の一つの態様はGaNテンプレートの表面がランダムにテクスチャ出しされていることである。適当なランダムな表面テクスチャは、改変HVPEを含む、幾つかの適当な機械的または化学的技術によって製造されうる。改変HVPEにおいては、GaNテンプレートの表面テクスチャはV族に対するIII族の比を変えることにより制御されうる。例えば、5:1から10:1のHClに対するNH3のモル比を用いることは改変HVPEによるランダムにテクスチャ出しされたGaNテンプレートを生じるのに対して、20:1から50:1又はそれ以上の高い比率を用いると従来のHVPEは平坦なテンプレートを生じる。ランダムにテクスチャ出しされたGaNを生じる他の方法は、サファイア・ウエハの様な基板の不完全な窒化物化、又は非常に薄いGaN緩衝体を用いることを含む。窒素リッチ条件下で高温でのGaNの成長は、MBE法によるランダムにテクスチャ出しされたGaNテンプレートもまた生じる。例えば、1以下のGa/Nの分子比を用いて、ランダムにテクスチャ出しされたGaNテンプレートを生じる。1以上のGa/Nの分子比を用いると、平坦なGaNテンプレートを生じる。 One aspect of the present invention is that the surface of the GaN template is randomly textured. A suitable random surface texture can be produced by several suitable mechanical or chemical techniques including modified HVPE. In the modified HVPE, the surface texture of the GaN template can be controlled by changing the ratio of group III to group V. For example, using a molar ratio of NH 3 to HCl of 5: 1 to 10: 1 results in randomly textured GaN templates with modified HVPE, whereas 20: 1 to 50: 1 or more Using a high ratio, conventional HVPE produces a flat template. Other methods for producing randomly textured GaN include incomplete nitridation of the substrate, such as a sapphire wafer, or using a very thin GaN buffer. Growth of GaN at high temperature under nitrogen-rich conditions also results in randomly textured GaN templates by MBE method. For example, using a Ga / N molecular ratio of 1 or less results in a randomly textured GaN template. Using a molecular ratio of one or more Ga / N results in a flat GaN template.
表面テクスチャは、原子間力顕微鏡(AFM)及び走査電子顕微鏡(SEM)のような入手可能な技術を用いて研究されうる。ランダムさの程度は表面深度の分布を求めることによってつきとめることができ、ランダムにテクスチャ出しされた表面は近似的に表面深度のガウス分布を示す。エミッターから最適光取り出し得るために、平均表面深度は放出光の波長範囲内が好ましい。例えば、可視光LEDについては、200nmから1.5μm範囲の平均表面深度が好ましい。 Surface texture can be studied using available techniques such as atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM). The degree of randomness can be determined by determining the surface depth distribution, and the randomly textured surface approximately exhibits a Gaussian distribution of surface depth. In order to obtain optimum light extraction from the emitter, the average surface depth is preferably within the wavelength range of the emitted light. For example, for visible light LEDs, an average surface depth in the range of 200 nm to 1.5 μm is preferred.
テクスチャ出しされたIII窒化物テンプレートは極性又は非極性方向に沿って形成されうる。 Textured III-nitride templates can be formed along polar or non-polar directions.
文献に報告されたIII窒化物における仕事の大部分は、様々な堆積方法によって(0001)サファイア又は6H−SiC基板上にこれらの材料のヘテロエピタキシャル成長を含む。これらの基板上に成長した材料及び装置は、高密度の貫通欠陥(転位及び転換ドメイン境界)を含む。さらに、(0001)配向は非中心対称ウルツアイト構造の極性方向であり、これは自発的及びピエゾ電子極性によってヘテロ構造内に内部電界を生じる。このような極性効果が幾つかの装置の型(例えばFETにおけるピエゾ電子ドーピング)に望まれるかもしれない場合、それらはQCSEによる多重量子井戸(MQW)構造に基づくエミッターについて望ましくないかもしれない。この効果は、量子井戸の歪によるQW放射における赤方シフトを生じ、電子及び正孔の波動関数が空間で分離されるため減少した量子効率もまた生じる。 Most of the work in III-nitrides reported in the literature involves heteroepitaxial growth of these materials on (0001) sapphire or 6H-SiC substrates by various deposition methods. Materials and devices grown on these substrates contain a high density of threading defects (dislocations and transition domain boundaries). Furthermore, the (0001) orientation is the polarity direction of the non-centrosymmetric wurtzite structure, which creates an internal electric field in the heterostructure due to spontaneous and piezoelectron polarities. If such polar effects may be desired for some device types (eg, piezoelectron doping in FETs), they may not be desirable for emitters based on QCSE multiple quantum well (MQW) structures. This effect results in a red shift in QW radiation due to quantum well distortion, and also results in reduced quantum efficiency because the electron and hole wavefunctions are separated in space.
R-平面サファイア(10-12)上のGaN/AlGaN MQWsの成長が(11-20)方向に沿ったフィルムを導く(アイヤー等、2003年)ことが最近実証されている。(11-20)方向はMQWの平面に極性ベクトルを持ち、これは量子井戸に垂直な内部フィールドを除去する。これゆえ、このような量子井戸からの放射は赤方シフトせず、ルミネセンス効率は減少しない。 It has recently been demonstrated that the growth of GaN / AlGaN MQWs on R-plane sapphire (10-12) leads to films along the (11-20) direction (Ayer et al., 2003). The (11-20) direction has a polarity vector in the plane of the MQW, which removes the internal field perpendicular to the quantum well. Therefore, radiation from such quantum wells does not shift red and luminescence efficiency does not decrease.
極性方向に沿ったテクスチャ出しされた窒化物テンプレートは、(0001)サファイア、(11−20)サファイア、6H−SiC、(0001)ZnO、(111)Si、(111)GaAs上に成長されうる。非極性方向に沿ったテクスチャ出しされた窒化物テンプレートは、R-面(10−12)及びM-面(10−10)サファイア基板及び6H-SiC及びZnOの対応する平面上に成長しうる。このようなテクスチャ出しされたテンプレートは、既に議論したような三つの堆積方法によって成長しうる。 Textured nitride templates along the polar direction can be grown on (0001) sapphire, (11-20) sapphire, 6H-SiC, (0001) ZnO, (111) Si, (111) GaAs. Textured nitride templates along non-polar directions can be grown on R-plane (10-12) and M-plane (10-10) sapphire substrates and corresponding planes of 6H-SiC and ZnO. Such a textured template can be grown by three deposition methods as previously discussed.
テクスチャ出しされた窒化物テンプレートは高効率LEDの成長のために基板として使われる。表面が成長の間にある程度まで自発的にテクスチャ出しされる効力によって、半導体のバルクから空気中への屈折率の徐々の変化は効果的に光漏出円錐体を増加し、内部反射経由で光の損出を減少する。よって、半導体から放出された光はより効率的に取り出され、これにより装置の外部量子効率を増加させる。同様の議論で、このようなテンプレートに成長した光検出器及び太陽電池は、より高い効率で光を吸収するであろうし、それらは更に反射防止コーティングを要しない。 The textured nitride template is used as a substrate for the growth of high efficiency LEDs. Due to the effect that the surface is spontaneously textured to some extent during growth, the gradual change of the refractive index from the bulk of the semiconductor into the air effectively increases the light leakage cone, and the light is transmitted via internal reflection. Reduce losses. Thus, the light emitted from the semiconductor is extracted more efficiently, thereby increasing the external quantum efficiency of the device. In similar discussion, photodetectors and solar cells grown on such templates will absorb light with higher efficiency, and they do not require further anti-reflective coatings.
さらに、テクスチャ出しされた窒化物表面は、極性効果の部分的抑制によりIII-窒化物半導体MQWsに基づくLEDのIQEをも増加しうる。 Furthermore, the textured nitride surface can also increase the IQE of LEDs based on III-nitride semiconductor MQWs due to partial suppression of the polar effect.
GaNテンプレートは様々な表面テクスチャでHVPE法によって成長しうる。これらのテンプレートはそれらの表面形態学、反射率、移動及び光ルミネセンス特性によって特徴付けられる。ルミネセンス取り出し効率はほとんど100%でありうる。GaN/AlGaN MQWは平坦なもの及びテクスチャ出しされたGaNテンプレート上に成長されうる。QWは(0001)極性方向に垂直でないから、ひだのあるQW上の光ルミネセンスの寸法は平坦なQWからのそれと比較してIQEの重大な改善と、量子限界シュタルク効果(QCSE)の減少に起因する結果とを示している。ひだになるQWを取り込む窒化物LED構造は、平坦な量子井戸を使うものより顕著に高い外部量子効率をもつ。 GaN templates can be grown by HVPE method with various surface textures. These templates are characterized by their surface morphology, reflectivity, migration and photoluminescence properties. The luminescence extraction efficiency can be almost 100%. GaN / AlGaN MQW can be grown on flat and textured GaN templates. Since QW is not perpendicular to the (0001) polarity direction, the photoluminescence dimension on the pleated QW is a significant improvement in IQE and a reduction in the quantum limit Stark effect (QCSE) compared to that from flat QW. The resulting results are shown. Nitride LED structures that incorporate pleated QWs have significantly higher external quantum efficiencies than those using flat quantum wells.
GaN層(最上層)と空気(又は他の物質)との間のテクスチャ出しされた境界は、最上層内で総内部反射の量を減少することによって境界を横切る光子軌道に関して取り出し効率を増加する。テクスチャ出しされた表面の表面特徴は、約1波長と同じくらい小さい特徴ある特質をもちうる。しかしながら、より大きなテクスチャの特徴は許容可能である。最上層はテクスチャ出しされたテンプレートのようにより低層の上に等角に成長しうる。最上層は幾千Åもの厚さになることは可能であるが、必要ではない。 The textured boundary between the GaN layer (top layer) and air (or other material) increases extraction efficiency with respect to photon trajectories across the boundary by reducing the amount of total internal reflection within the top layer . The surface features of the textured surface can have characteristic features as small as about one wavelength. However, larger texture features are acceptable. The top layer can grow more conformally on the lower layer, like a textured template. The top layer can be thousands of inches thick, but is not necessary.
GaN層と空気(又は他の物質)との間の境界は、テクスチャ出しされたテンプレート、例えばn型GaN層、干渉層の上に、例えば量子井戸(QWs)又はMQWs、これらはテクスチャ出しされたテンプレートの上に等角に成長し又は堆積したが、これらの上に直接GaN層を成長させ、堆積することにより、テクスチャ出しされうる。代わりになるべきものとして、例えGaN層がテクスチャ出しされた表面に成長しないとしても、平坦なGsN層が成長され、続いてその表面は、例えばリソグラフィーにより、粗くされうる。このように、成長後に粗面化することは、GaN層の表面に障害を与え得る。例えば、「点欠陥」が生じうる。しかし、この障害は、たとえば、アニーリングによって、修正されうる。 The boundary between the GaN layer and air (or other material) is textured on a template, eg n-type GaN layer, interference layer, eg quantum wells (QWs) or MQWs, which are textured Although grown or deposited conformally on the template, it can be textured by growing and depositing a GaN layer directly on them. As an alternative, even if the GaN layer does not grow on the textured surface, a flat GsN layer can be grown and subsequently the surface can be roughened, for example by lithography. Thus, roughening after growth can impair the surface of the GaN layer. For example, a “point defect” may occur. However, this obstacle can be corrected, for example, by annealing.
MQWは、p-GaN層がMQW上に成長される前にn-GaN層上に成長されうる。例えば、MQW層はMBE又はMOCVDによって成長されうる。一つの実施態様では、10対のGaN井戸及びAlGaN障壁が、各井戸及び各障壁の厚さが約78Åで成長する。別の実施態様では、各層は50Åである。しかしながら、広範囲の(50Å以下、78Å以上を含む)井戸及び障壁の厚さが許容可能である。MQWの全体の厚さは1000Åかそれ以上でありうる。さらに、井戸及び障壁層は同じ厚さである必要はない。例えば、70Å(各)の井戸層は80Åの障壁層と結合しうる。 The MQW can be grown on the n-GaN layer before the p-GaN layer is grown on the MQW. For example, the MQW layer can be grown by MBE or MOCVD. In one embodiment, 10 pairs of GaN wells and AlGaN barriers are grown with each well and each barrier having a thickness of about 78 mm. In another embodiment, each layer is 50 inches. However, a wide range of well and barrier thicknesses (including 50 mm or less, including 78 mm or more) are acceptable. The overall thickness of MQW can be 1000 mm or more. Furthermore, the well and barrier layers need not be the same thickness. For example, a 70 Å (each) well layer can be combined with an 80 障壁 barrier layer.
言及したように、n-型及びp-型GaN層間のテクスチャ出しされたMQWはp−n接合のIQEを増加し、これによって、p-n接合によって生じた光の量(又は光検出器の場合に前記接合で検出される外部光の量)を増加する。実施態様はテクスチャ出しされた接合箇所のみ、テクスチャ出しされた最上層のみ、又はテクスチャ出しされた接合箇所及びテクスチャ出しされた最上層の組み合わせを含むことができる。更に、これらの実施態様のどれもがテクスチャ出しされたQWs又はMQWs含むことができるか又は二者択一に削除できる。 As mentioned, textured MQW between n-type and p-type GaN layers increases the IQE of the pn junction, thereby increasing the amount of light produced by the pn junction (or in the case of photodetectors). Increasing the amount of external light detected at the junction). Embodiments can include textured joints only, textured top layer only, or a combination of textured joints and textured top layer. Furthermore, any of these embodiments can include textured QWs or MQWs, or alternatively can be deleted.
(QWs又はMQWSを持つか又は持たない)テクスチャ出しされたp-n接合は、LED又は他の半導体装置の一定の半径またはその他の外側の寸法を与える、平坦なp-n接合より大きな接合における表面(接触)面積をもつ。この増加した表面積は装置の効率を増加し得る。 A textured pn junction (with or without QWs or MQWS) gives a constant radius or other outer dimension of the LED or other semiconductor device surface (contact) at a larger junction than a flat pn junction It has an area. This increased surface area can increase the efficiency of the device.
リソグラフのマスク等を集積回路ウエハに記録するために、例えば、続くウエハを含む処理工程のために、光源が顕微鏡を通してウエハを照らす場合、操作者は一般的に顕微鏡を通してウエハを観察する。光はウエハの最上表面を照らし、操作者に可視なウエハ上の記録マークを作る。しかし、少量の光では上述した一以上の特性を含む装置から反射される。よって、光学顕微鏡を用いる本発明の一以上の見地によって構築されたウエハの表面に記録マークを観察することは、困難でありうる。この観察の困難性は続く処理工程に使われるリソグラフのマスクを記録する困難性を導きうる。この困難性に打ち克つために、本発明の別の実施態様によれば、光源はウエハの端(側)を照らし、これにより操作者に可視なウエハ上に記録マークをつくる。光は、先行技術の様に、表面から反射されるよりはむしろ、ウエハの表面から、顕微鏡を通して、操作者へ伝送される。光源は顕微鏡に対して外部でありうるが必要ない。 To record a lithographic mask or the like on an integrated circuit wafer, for example, for processing steps involving subsequent wafers, when a light source illuminates the wafer through a microscope, an operator typically observes the wafer through the microscope. The light illuminates the top surface of the wafer, creating a record mark on the wafer that is visible to the operator. However, small amounts of light are reflected from devices that include one or more of the characteristics described above. Thus, it can be difficult to observe a recording mark on the surface of a wafer constructed according to one or more aspects of the present invention using an optical microscope. This difficulty of observation can lead to the difficulty of recording lithographic masks used in subsequent processing steps. To overcome this difficulty, according to another embodiment of the present invention, the light source illuminates the edge (side) of the wafer, thereby creating a recording mark on the wafer that is visible to the operator. Rather than being reflected off the surface as in the prior art, the light is transmitted from the surface of the wafer through the microscope to the operator. The light source can be external to the microscope but is not necessary.
本発明は新型の白色LEDも提供する。HVPEによって製造されたテクスチャ出しされたGaNテンプレート上に成長したテクスチャ出しされたInGaN/GaN MQWに基づくLEDは、二色エレクトロルミネセンス生成し、白色光を発生する。例えば、本発明による白色LEDの着色温度は約2500°Kから約7500°Kの範囲であり、及びDC注入電流を変更することにより変え得る。エレクトロルミネセンスの第一のピークは、典型的には約390-450nmの範囲であり、第二のピークは約500-600nmの範囲である。結合した二色放射の色は、エレクトロルミネセンスを駆動するのに使われるバイアス又は注入電流に依存する。全体にわたる色は、390-450nmの範囲のピークから全体にわたる寄与で増加することによる、注入電流の増加での青色シフトである。本発明によるLEDの二色放射は、ランダムにテクスチャ出しされたMQWの二以上の異なる領域からの光の放射から生じると信じられる。堆積過程は平らな領域に幾らか厚い井戸を生じ、傾斜領域には幾分薄い井戸を生じるから、ランダムにテクスチャ出しされたMQWにおける量子井戸は少なくとも二つの異なる厚さをもつ。より薄い井戸はより高いエネルギーを放射し、これにより、より厚い井戸層に比較して青色シフトされる発光ピークを生じる。 The present invention also provides a new type of white LED. A textured InGaN / GaN MQW based LED grown on a textured GaN template manufactured by HVPE produces two-color electroluminescence and generates white light. For example, the color temperature of a white LED according to the present invention ranges from about 2500 ° K to about 7500 ° K, and can be varied by changing the DC injection current. The first peak of electroluminescence is typically in the range of about 390-450 nm and the second peak is in the range of about 500-600 nm. The color of the combined dichroic radiation depends on the bias or injection current used to drive the electroluminescence. The overall color is a blue shift with increasing injection current, with the overall contribution increasing from a peak in the range of 390-450 nm. The dichroic emission of the LED according to the invention is believed to result from the emission of light from two or more different regions of the randomly textured MQW. Since the deposition process produces somewhat thick wells in the flat region and somewhat thin wells in the graded region, the quantum wells in the randomly textured MQW have at least two different thicknesses. Thinner wells emit higher energy, which results in emission peaks that are blue-shifted compared to thicker well layers.
一実施態様では、本発明によるLEDは一以上の従来のLEDと結合され、変更された又は全てのスペクトル結合LED装置を生じる。別の実施態様では、本発明による二以上のLEDは、おのおのが異なるエレクトロルミネセンス特性をもち、例えば着色温度のようであるが、結合して変化した又は全てのスペクトル結合LED装置を生じる。 In one embodiment, an LED according to the present invention is combined with one or more conventional LEDs, resulting in a modified or all spectrally coupled LED device. In another embodiment, two or more LEDs according to the present invention each have different electroluminescent properties, such as, for example, a coloring temperature, but combine to produce a changed or all spectrally coupled LED device.
LED着色におけるバイアス電流効果に加えて、本発明のLEDの全体のエレクトロルミネセンス・スペクトルは、In含有率の変更によって変更しうる。Inは、装置の与えられたIII窒化物層の少なくとも10%から100%まで変更した量で存在しうる。In含有量の増加は、エレクトロルミネセンス・スペクトルの赤色シフトを生じる。 In addition to the bias current effect in LED coloring, the overall electroluminescence spectrum of the LED of the present invention can be altered by changing the In content. In may be present in an amount varying from at least 10% to 100% of a given III nitride layer of the device. Increasing the In content results in a red shift of the electroluminescence spectrum.
本発明によるLEDの変色可能な特徴は、多くの応用例があり、変色可能指示器及び表示装置、静止絵画や写真、ビデオ画像を表示する着色画像表示器、及び静止画像やビデオまでの映写装置の製作に使用することを含む。着色画像表示器を製造するための本発明によるLEDの配置及び制御のための技術及び装置は技術上よく知られている。例えば、LED画像表示装置のための従来のデジタル・ドライバーは米国特許第7,109,957に開示されるが、参照のためここに示す。このような制御装置は、着色画像を形成するためにそれらの色を改変するように本発明のLEDのバイアス電流制御するために改変されうる。同様に、制御回路、ソフトウエア、及びLED配置を用いる映写装置を製作するための光学を含む技術はよく知られていて、本発明によるLEDに用いるために適合されうる。例えば、米国特許第6,224,216号はこのようなLED映写装置を記載していて、その全体が参照される。 The color changeable feature of the LED according to the present invention has many applications, such as a color changeable indicator and display device, a still picture or photograph, a colored image display for displaying a video image, and a projection device for a still image or video. Including use in the production of Techniques and apparatus for the placement and control of LEDs according to the present invention for manufacturing colored image displays are well known in the art. For example, a conventional digital driver for an LED image display is disclosed in US Pat. No. 7,109,957, but is shown here for reference. Such control devices can be modified to control the bias current of the LEDs of the present invention to modify their color to form a colored image. Similarly, techniques including optics for making projection devices using control circuitry, software, and LED arrangements are well known and can be adapted for use with LEDs according to the present invention. For example, U.S. Pat. No. 6,224,216 describes such an LED projector and is referred to in its entirety.
ここでの実施例は、本発明の利点を説明するために与えられる。これら実施例は、上述された発明の変形例又は実施形態のいずれかを含むか組み入れることができる。上述された実施形態もまた、発明の他の実施形態のいずれか又は全ての変形例を含むか組み入れることができる。以下の実施例は、いかなる意味においても、発明の範囲を制限することを意図されていない。 The examples herein are given to illustrate the advantages of the present invention. These examples may include or incorporate any of the variations or embodiments of the invention described above. The embodiments described above can also include or incorporate any or all of the other embodiments of the invention. The following examples are not intended in any way to limit the scope of the invention.
HVPEによるテクスチャ出しされたGaNテンプレートの成長
テクスチャ出しされたGaNテンプレートは、上述した改変HVPE製法によって制作される。図7は、p接触20で放射する電気的に励起されたウエハレベルのLEDを示す。この青色LED構造は、未研磨の(0001)サファイア基板上に作られた。この基板上には、3ミクロンの多量にドープされたn型GaNが成長され、次いでインジウムを13%含むInGaNを井戸とし、またGaNを障壁とする10個のMQWが成長された。MQWの成長に続いて、マグネシウムでp型にドープされた、Alを30%含むAlGaNからなる薄い(約10μm)の電子遮断層が成長され、次いでマグネシウムで多量にp型にドープされた200nmのGaNが成長される。光が放出される自由表面は、未研磨のサファイア基板のモーフォロジーを複製している。
Growth of textured GaN templates by HVPE Textured GaN templates are produced by the modified HVPE process described above. FIG. 7 shows an electrically excited wafer level LED emitting at the p-
図8aは、変形HVPEプロセスによって成長されるときにランダムにテクスチャ出しされたGaNテンプレートの走査型電子顕微鏡(SEM)画像を示す。この画像は、電子線に対して約30度傾けられたサンプルに関して捕捉されたものである。GaN層の成長は、(0001)サファイア基板上に起こった。この成長は、25標準立方センチメータ毎分(sccm)のHClを使用するプロセスによって1000°の前処理中に行われた。このプロセスはまた、III族前駆体に対するアンモニアの比150を、約590°での緩衝層成長中に使用した。それから1070°での高温成長の段階は、III族に対するアンモニアの比60を使用した。テンプレートのテクスチャ出しの程度又は度合いは、成長前線に到達したGaClの量に依存しているものと決定された。そのようなGaClの量は、成長速度も制御することができる。 FIG. 8a shows a scanning electron microscope (SEM) image of a randomly textured GaN template when grown by a modified HVPE process. This image was captured for a sample tilted about 30 degrees with respect to the electron beam. The growth of the GaN layer occurred on the (0001) sapphire substrate. This growth was performed during the 1000 ° pretreatment by a process using 25 standard cubic centimeters per minute (sccm) of HCl. This process also used an ammonia to group III ratio of 150 during buffer layer growth at about 590 °. The high temperature growth stage at 1070 ° then used a ratio of ammonia to group III of 60. The degree or degree of template texture determination was determined to depend on the amount of GaCl that reached the growth front. Such an amount of GaCl can also control the growth rate.
図8aと比較して、図8bは、原子的に平坦な標準GaN層のSEM画像を示している。図示のように、通常のGaN層の表面トポロジーは、2〜3の表面欠陥にも係わらず、テクスチャ出しされていない。この画像は、電子線に対して約30度傾けられたサンプルに関して捕捉されたものである。原子的に平坦な表面を有する通常のGaN層の光ルミネサンスは、この発明のランダムにテクスチャ出しされた窒化ガリウムのテンプレートのそれと比較された。両方の層サンプルは、10ミリワット(mW)のヘリウム・カドミウムレーザを励起源として使用する同一の条件で測定された。 Compared to FIG. 8a, FIG. 8b shows an SEM image of an atomically flat standard GaN layer. As shown, the surface topology of the normal GaN layer is not textured despite a few surface defects. This image was captured for a sample tilted about 30 degrees with respect to the electron beam. The photoluminescence of a conventional GaN layer with an atomically flat surface was compared to that of the randomly textured gallium nitride template of the present invention. Both layer samples were measured under identical conditions using a 10 milliwatt (mW) helium cadmium laser as the excitation source.
この比較の結果は、図9によって示されている。この図において、テクスチャ出しされたテンプレートの光ルミネサンス強度は、平坦なGaN層の強度よりも50倍以上大きい。強化された光取り出しは、そのような半導体層の高屈折率によって特にテクスチャ出しされた表面を通して起こる。テクスチャ出しされた表面は、GaN層と空気との間の高屈折率変化によって制限されたエスケープコーン(脱出円錐)と比べて、単一フォトンのエスケープコーンを増加させる。 The result of this comparison is illustrated by FIG. In this figure, the photoluminescence intensity of the textured template is more than 50 times greater than the intensity of the flat GaN layer. Enhanced light extraction occurs through surfaces that are specifically textured by the high refractive index of such semiconductor layers. The textured surface increases the escape cone of single photons compared to the escape cone limited by the high refractive index change between the GaN layer and air.
この発明のIII族層テンプレートのテクスチャ出しのランダム性は、図10a及び10bに描かれている。図10aは、図10bの画像化領域の深さ分析プロットを持つ、この発明のGaNテンプレートの原子間力顕微鏡画像である。このプロットは、テンプレートについての表面トポロジーのガウス分布、ランダム性の特徴を示している。平均的な山−谷表面トポロジーは、約1.3ミクロンである。 The randomness of texturing of the Group III layer template of the present invention is depicted in FIGS. 10a and 10b. FIG. 10a is an atomic force microscope image of the GaN template of the present invention with the depth analysis plot of the imaging region of FIG. 10b. This plot shows the Gaussian distribution of surface topology, randomness characteristics for the template. The average peak-valley surface topology is about 1.3 microns.
テクスチャ出しされたテンプレート上の複合ひだのある量子井戸の成長
図6は、テクスチャ出しされた表面上の多重な量子井戸(ひだのある量子井戸)を示す透過電子顕微鏡画像である。これら量子井戸は、10対のAlGaN及びGaN層を備える。個別のGaN層は、テクスチャ出しされた量子井戸層からなることがある。この場合、AlGaN層は、障壁層として作用する。AlGaN層の組成は、例えば、Al0.2Ga0.8Nである。一般的に、AlxGa1−xNである。多重量子井戸はまた、小ギャップのIII−V窒化物膜(井戸)と大ギャップのIII−V窒化物膜(障壁)の任意の組み合わせによって作ることができる。MQWの組成は、光の放出エネルギーを純InNの約0.7eVから純AlNからの6eVまで決定する。複数の量子井戸層は、任意の好適な堆積プロセスによって成長される。MBEプロセスは、無線周波数又はマイクロ波プラズマによって活性化されている窒素に対するIII族材料の反応を含む。代替的解決法は、III族材料を、加熱された基板上のアンモニアと反応させることである。
Growth of composite pleated quantum wells on textured template FIG. 6 is a transmission electron microscope image showing multiple quantum wells (folded quantum wells) on a textured surface. These quantum wells comprise 10 pairs of AlGaN and GaN layers. Individual GaN layers may consist of textured quantum well layers. In this case, the AlGaN layer acts as a barrier layer. The composition of the AlGaN layer is, for example, Al 0.2 Ga 0.8 N. Generally, it is Al x Ga 1-x N. Multiple quantum wells can also be made by any combination of small gap III-V nitride films (wells) and large gap III-V nitride films (barriers). The composition of MQW determines the light emission energy from about 0.7 eV of pure InN to 6 eV of pure AlN. The plurality of quantum well layers are grown by any suitable deposition process. The MBE process involves the reaction of a group III material to nitrogen that is activated by radio frequency or microwave plasma. An alternative solution is to react the group III material with ammonia on the heated substrate.
成長プロセスによる半導体成長用のIII族材料は、噴散セルから蒸発可能であるか、あるいはIII族アルキルの形態で提供され得る。MBEプロセスやプラズマ援助MBEプロセスでの半導体成長中に、窒素やアンモニアガスは、典型的に約1〜100sccm使用される。量子井戸が成長されるときに、量子井戸の層は、テンプレートのテクスチャを複製する。そのようなMBEプロセスは、この技術分野で既知である。この発明はまた、当業者によって使用されることがある他の典型的な半導体成長用の解決法も考慮する。 Group III materials for semiconductor growth by growth processes can be evaporated from the effusion cell or can be provided in the form of Group III alkyls. During semiconductor growth in MBE processes or plasma assisted MBE processes, nitrogen and ammonia gases are typically used at about 1-100 sccm. When the quantum well is grown, the quantum well layer replicates the texture of the template. Such MBE processes are known in the art. The present invention also contemplates other typical semiconductor growth solutions that may be used by those skilled in the art.
10対のテクスチャ出しされたAlGaN及びGaN量子井戸は、約7ナノメータ(nm)の井戸厚さと、対応する約8nmの障壁層厚さとを有していた。複数の量子井戸は、約750°の温度で基板に成長された。先ず、AlGaN障壁層が、この発明のテクスチャ出しされたIII族テンプレート上に成長される。それから障壁層は、量子井戸、GaN層の堆積用表面となる。それから、GaN層は、次の障壁層用の成長表面となる。この成長パターンは、多重量子井戸層が形成されるまで継続され得る。これらの井戸は、下地のテクスチャ出しされたテンプレートの表面トポロジーを複製する。井戸及び障壁層の厚さは、例えば、10Åから500Å以上となり得る。 Ten pairs of textured AlGaN and GaN quantum wells had a well thickness of about 7 nanometers (nm) and a corresponding barrier layer thickness of about 8 nm. A plurality of quantum wells were grown on the substrate at a temperature of about 750 °. First, an AlGaN barrier layer is grown on the textured Group III template of the present invention. The barrier layer then becomes the deposition surface for the quantum well and GaN layer. The GaN layer then becomes the growth surface for the next barrier layer. This growth pattern can be continued until a multiple quantum well layer is formed. These wells replicate the surface topology of the underlying textured template. The thickness of the well and barrier layer can be, for example, 10 to 500 mm or more.
図11及び12は、通常の量子井戸の光ルミネサンス・スペクトルと、この発明のテクスチャ出しされたテンプレート上に成長されたテクスチャ出しされた量子井戸をそれぞれ示す。通常の平坦なGaN層上に成長された量子井戸からの光ルミネサンス・スペクトルは、高い強度ピークを364nmに呈する。この強度ピークは、一次的にはMQW直下の平坦なバルクGaN層に起因する。約396nmにある極めて低く且つ広いルミネサンスピークは、平坦な井戸に起因しているものと仮定される。平坦な井戸サンプルの陰極ルミネサンス・スペクトルは、この仮定を立証することに使用された。このスペクトルは、量子井戸を探索するために約4kVの低加速度電圧を使用して行われた。これらの結果は、図11の挿入図によって示されている。これらの結果は、約396nmで生じた広いピークが通常の量子井戸に対応したものであることを確認している。 Figures 11 and 12 show the photoluminescence spectrum of a conventional quantum well and the textured quantum well grown on the textured template of the present invention, respectively. The photoluminescence spectrum from a quantum well grown on a normal flat GaN layer exhibits a high intensity peak at 364 nm. This intensity peak is primarily attributed to a flat bulk GaN layer directly under the MQW. The very low and broad luminescence peak at about 396 nm is assumed to be due to a flat well. The cathodoluminescence spectrum of a flat well sample was used to verify this assumption. This spectrum was performed using a low acceleration voltage of about 4 kV to search for quantum wells. These results are shown by the inset in FIG. These results confirm that the broad peak produced at about 396 nm corresponds to a normal quantum well.
これゆえ、平坦な量子井戸から観察されたルミネサンスは、大きさが大幅に低減されていると共にバルクに対して赤色シフトされたものとして示されている。これらの結果は、量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)と一致する。 Therefore, the luminescence observed from flat quantum wells is shown as being greatly reduced in size and red-shifted relative to the bulk. These results are consistent with the quantum confined Stark effect (QCSE).
典型的な量子井戸と比べて、この発明のテクスチャ出しされたテンプレートによってテクスチャ出しされた量子井戸の光ルミネセンス・スペクトルは、バルクGaN層のルミネサンス・スペクトルに対して青色シフトされている。複数のテクスチャ出しされた量子井戸は、井戸がその上に成長されたテンプレートと比較したときに、実質的に増加されたルミネサンスを呈する。 Compared to a typical quantum well, the photoluminescence spectrum of the quantum well textured by the textured template of the present invention is blue shifted with respect to the luminescence spectrum of the bulk GaN layer. The plurality of textured quantum wells exhibit a substantially increased luminescence when compared to the template on which the well is grown.
これらの結果は、テクスチャ出しされたIII族窒化物テンプレート上に形成された、ひだのある井戸が、極性化に関連した内部電界によっては歪まされないことを示している。図12はまた、テクスチャ出しされた量子井戸についてのピーク光ルミネサンスが、通常の平坦なGaN層上に成長されたものよりも約700倍以上も高いことを示している。この違いは、テクスチャ出しされた表面を通しての増強された光取り出しと、QCSEの消去により増強された自然放出率の双方に起因する。 These results indicate that the pleated well formed on the textured III-nitride template is not distorted by the internal electric field associated with polarization. FIG. 12 also shows that the peak photoluminescence for the textured quantum well is about 700 times higher than that grown on a regular flat GaN layer. This difference is due to both enhanced light extraction through the textured surface and the spontaneous emission rate enhanced by QCSE elimination.
マスクされたテンプレートのエッチングにより作成されたテクスチャ出しされた表面
この実施例では、テクスチャ出しされた基板は、テクスチャ出しされた表面を伴って作られている。この表面上には、テクスチャ出しされた特徴を複製しながら追加層が成長される。追加層は、この発明のテクスチャ出しされたテンプレート、p−n接合又は光学装置を形成するように成長される。追加層は、複数の井戸及び障壁層によって形成された多重量子井戸も備えることができる。テクスチャ出しされる基板の表面は、平坦であるか、予めテクスチャ出しされている。基板の表面はまた、改変されていないか、そうでなければ自然のままである。
Textured Surface Created by Etching Masked Template In this example, the textured substrate is made with a textured surface. On this surface, additional layers are grown while replicating the textured features. The additional layer is grown to form the textured template, pn junction or optical device of the present invention. The additional layer can also comprise a multiple quantum well formed by a plurality of wells and barrier layers. The surface of the substrate to be textured is flat or textured in advance. The surface of the substrate is also unmodified or otherwise left natural.
単分散球状コロイド様粒子の単層を備えるマスク構造が、基板の表面上に被覆される。この基板は、シリコン、炭化シリコン、サファイア、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛又はガラスである。球状単分散コロイド様粒子は、0.02〜10ミクロンの範囲のサイズで市販されている。この粒子の基板の表面上へのパッキングは、被覆に使用される技術に依存して、周期的かランダムのいずれかである。基板の1〜5インチ径部分に対するマスク構造の被覆は、数分を要する。そのような被覆領域は、108〜1012サブミクロンの特徴を基板上に規定できる。 A mask structure comprising a monolayer of monodispersed spherical colloid-like particles is coated on the surface of the substrate. This substrate is silicon, silicon carbide, sapphire, gallium arsenide, gallium nitride, aluminum nitride, zinc oxide or glass. Spherical monodispersed colloidal particles are commercially available in sizes ranging from 0.02 to 10 microns. The packing of the particles onto the surface of the substrate is either periodic or random, depending on the technique used for coating. Covering the 1-5 inch diameter portion of the substrate with the mask structure takes several minutes. Such a coated area can define features of 10 8 to 10 12 submicron on the substrate.
マスクされた表面はそれから、例えばイオンビームエッチングによってエッチングされる。このエッチングは、個別の粒子を基板表面上でピラーの形にする。ピラーの縦横比と形状は、相対マスクエッチ率と下地の基板材料によって決定される。ピラーの縦横比を最小化するために、物理的及び化学的援助イオンビームエッチングの双方が使用され得る。基板の表面はそれから、液体又は気体、例えばフッ化水素、塩素、三塩化ホウ素又はアルゴンによってエッチングされる。液体又は気体による基板のエッチングは、ある領域では、他の領域よりも有意ではない。これは、ピラーが、基板表面の部分のエッチングを遅らせたり、阻止する傾向があるからである。 The masked surface is then etched, for example by ion beam etching. This etching turns individual particles into pillars on the substrate surface. The aspect ratio and shape of the pillar are determined by the relative mask etch rate and the underlying substrate material. Both physical and chemically assisted ion beam etching can be used to minimize pillar aspect ratio. The surface of the substrate is then etched with a liquid or gas such as hydrogen fluoride, chlorine, boron trichloride or argon. Etching the substrate with liquid or gas is less significant in some areas than in other areas. This is because pillars tend to delay or prevent etching of portions of the substrate surface.
エッチング後に、基板の表面上のピラーは、溶剤によって除去される。この溶剤は、ピラーを溶解して、テクスチャ出しされた表面を基板に生ずる。基板の表面はそれから、テクスチャ出しされた特徴を複製する追加層を成長することに使用される。基板の表面をエッチングし、テクスチャ出しするためのこの技術は、デックマン等の“分子規模の微孔性超格子”、MRSブルティン、pp.24−26(1987)によって、とても詳細に記載されている。 After etching, the pillars on the surface of the substrate are removed with a solvent. This solvent dissolves the pillars and creates a textured surface on the substrate. The surface of the substrate is then used to grow additional layers that replicate the textured features. This technique for etching and texturing the surface of a substrate is described by Deckman et al., “Molecular Scale Microporous Superlattices”, MRS Bulletin, pp. 24-26 (1987).
テクスチャ出しされたGaNテンプレート上のLED構造の製作及び特徴
LED構造は異なるテクスチャを有するHVPE成長テンプレート上に製作された。装置構造は図19に図解で示される。800μ×800μのメサが、ICPエッチングによって形成された。金属接点は、光線蒸発によって、n-GaNは即ちTi(10nm)/Al(120nm)/Ni(20nm)/Au(80nm) 及び、p-GaNは即ちNi(5nm)/Au(20nm)に堆積された。メサの最上部のAu金属は、かなり厚くて、LED構造内に発生した光の少量のみが伝送された。異なる表面テクスチャをもつ二つの装置のスペクトル依存は、図17に注入電流の関数として示される。これらのデータは、注入電流の増加により、照射光が可視スペクトルの全領域を占め、これより白色光が生じたことを示す。発光の可視検査によれば、青色及び緑色発光はメサの異なる部分から生じると観測される。これは、広い緑色スペクトルが欠陥に関係しないが、平面QWからの放射が極性方向に近似的に垂直である証拠である。この発光はQCSEによって赤色シフトされる。この解釈はより平たい表面をもつ第二のLEDと一致する。
Fabrication and characterization of LED structures on textured GaN templates
LED structures were fabricated on HVPE growth templates with different textures. The device structure is shown graphically in FIG. An 800 μ × 800 μ mesa was formed by ICP etching. Metal contacts are deposited by light evaporation, n-GaN is Ti (10 nm) / Al (120 nm) / Ni (20 nm) / Au (80 nm) and p-GaN is Ni (5 nm) / Au (20 nm) It was done. The Au metal at the top of the mesa was quite thick and only a small amount of light generated in the LED structure was transmitted. The spectral dependence of two devices with different surface textures is shown as a function of injection current in FIG. These data show that due to the increase in injection current, the illuminating light occupied the entire region of the visible spectrum, resulting in white light. According to the visual inspection of luminescence, it is observed that blue and green luminescence arises from different parts of the mesa. This is evidence that the broad green spectrum is not related to defects, but the radiation from the plane QW is approximately perpendicular to the polar direction. This emission is red-shifted by QCSE. This interpretation is consistent with a second LED with a flatter surface.
c-面サファイア基板上のHVPE法による厚いn-GaNテンプレートの製作
この方法の成長条件は、原子的に平坦なものから完全にランダムなテクスチャのものまで表面形態学の種々の程度をもつn-型GaNテンプレートに導くために調整された。これらのGaNテンプレートは、He−Cdレーザーで励起されるそれらの光ルミネセンス(PL)と同様にスペクトルのUV及び可視部分におけるそれらの反射率を研究することによって特徴づけられた。反射率は、平坦な表面の約20%から、全スペクトル領域のランダムにテクスチャ出しされた表面の1-2%まで、抑制された。テクスチャ出しされたGaNテンプレートからの光ルミネセンスの強度は、原子的に平坦な平面を有する同様に製造され及び同様にドープされたGaNテンプレートからのそれと比較して顕著に高いことが発見された。特に、GaNテクスチャ出ししたテンプレート及び平坦な表面をもつGaNテンプレートとの間の集積された光ルミネセンスの比は、同一条件下で測定されて、約55だった。ランダムにテクスチャ出ししたGaNテンプレートからの光ルミネセンスの有意の増加は、テクスチャ出しした表面を通して光取り出しが増加することに部分的に起因し、これは平坦な表面からは4%しか期待できなく、またテクスチャ出しした表面の励起子局在により自発的発光での増加に部分的に起因する。
Fabrication of thick n-GaN template by HVPE method on c-plane sapphire substrate The growth conditions of this method are n- with various degrees of surface morphology from atomically flat to completely random texture. Tuned to lead to type GaN template. These GaN templates were characterized by studying their reflectivity in the UV and visible parts of the spectrum as well as their photoluminescence (PL) excited with a He-Cd laser. The reflectivity was suppressed from about 20% of the flat surface to 1-2% of the randomly textured surface in the entire spectral region. It has been discovered that the intensity of photoluminescence from a textured GaN template is significantly higher than that from a similarly manufactured and similarly doped GaN template with an atomically flat surface. In particular, the ratio of integrated photoluminescence between the GaN textured template and the GaN template with a flat surface was about 55, measured under the same conditions. The significant increase in photoluminescence from randomly textured GaN templates is due in part to increased light extraction through the textured surface, which can only be expected to be 4% from a flat surface, It is also due in part to an increase in spontaneous emission due to exciton localization on the textured surface.
7nmの井戸及び障壁幅を有する、同一のGaN/AlGaN MQWは、プラズマ支援MBEによってテクスチャ出しした及び平坦なGaNテンプレートの双方上に成長形成され、それらの光学特性は光ルミネセンス(PL)及び陰極ルミネセンス(CL)測定によって評価された。平坦な及びひだのついたQWの光ルミネセンス・スペクトルは、著しい相違を示した。平坦な量子井戸からの光ルミネセンスは396nmの単一ピークをもっていて、QCSEによるバルクGaNフィルムの光ルミネセンス・スペクトルから期待された赤色シフトに一致する。358nmで生じたひだのあるQWからの光ルミネセンス・ピークは、バルクGaNフィルムの光ルミネセンス・スペクトルに関して青色シフトされ、結果は正方形の形状をもつQWに一致する。更に、多重ひだのある量子井戸からの集積された光ルミネセンス強度は、平坦なMQWのそれより約700倍も高い。 The same GaN / AlGaN MQW with 7 nm well and barrier width is grown on both textured and flat GaN templates textured by plasma assisted MBE, and their optical properties are photoluminescence (PL) and cathode Evaluated by luminescence (CL) measurement. The photoluminescence spectra of flat and pleated QWs showed significant differences. The photoluminescence from the flat quantum well has a single peak at 396 nm, consistent with the red shift expected from the photoluminescence spectrum of the bulk GaN film by QCSE. The photoluminescence peak from the pleated QW produced at 358 nm is blue shifted with respect to the photoluminescence spectrum of the bulk GaN film, and the result is consistent with a QW having a square shape. Furthermore, the integrated photoluminescence intensity from multi-pleated quantum wells is about 700 times higher than that of flat MQW.
ひだのあるQWからの光ルミネセンスの有意の増加は、テクスチャ出しされた表面を通して光取り出しにおける増加及び増加した自発的放射速度に部分的に起因する。量子井戸は極性(0001)方向に垂直でないから、IQEにおける増加はQCSEの減少によるものであると信じられる。IQEにおける更なる増加は、楔形電子固有様式からの量子キャリア制限によると信じられている。後者は、量子井戸のV型の相交わる平面により2Dから1Dへキャリア挙動において遷移の起源を持ち、ここで楔形は量子弦としてふるまい、これは励起子の局在と捕獲を生じる。 The significant increase in photoluminescence from pleated QW is due in part to an increase in light extraction through the textured surface and an increased spontaneous emission rate. Since quantum wells are not perpendicular to the polar (0001) direction, it is believed that the increase in IQE is due to a decrease in QCSE. Further increases in IQE are believed to be due to quantum carrier limitations from the wedge-shaped electron intrinsic mode. The latter originates from a transition in carrier behavior from 2D to 1D due to the V-shaped intersecting plane of the quantum well, where the wedge shape behaves as a quantum string, which results in exciton localization and trapping.
極性(0001)方向に沿ったIII窒化物のテクスチャ出しされた表面の形成
GaNテクスチャ出しされたテンプレートはHVPE法により調製された。GaNテクスチャ出しされたテンプレートは特注のHVPE反応器(図20参照)で成長された。この反応器において、第III族前駆体、GaCl(g)は、500℃から1000℃の間の温度でGaを含有する石英ボートの上に塩酸(HCl)を流すことによって上流に合成された。また、GaClはサファイア・ウエハの表面近くの下流にアンモニア(NH3)と混合して、図20に示されるように900℃から1200℃の温度でGaNを形成する。反応器は4つのゾーンに仕切られていて、各ゾーンの温度は個々別々に制御された。それは反応ガス及び希釈液のための3つの別れた放出チューブをもっていた。窒素及び/又は水素はNH3とHClの両方に希釈液及びキャリアーガスとして使われた。窒素は、GaCl及びNH3が基板表面に突き当たる前に前混合するのを防ぐために窒素は下流でガスカーテン又はシースとして作用する中部チューブを通しても送られた。
Formation of textured surface of III nitride along the polar (0001) direction
GaN textured template was prepared by HVPE method. The GaN textured template was grown in a custom made HVPE reactor (see FIG. 20). In this reactor, the Group III precursor, GaCl (g), was synthesized upstream by flowing hydrochloric acid (HCl) over a quartz boat containing Ga at a temperature between 500 ° C. and 1000 ° C. GaCl is mixed with ammonia (NH 3 ) near the surface of the sapphire wafer to form GaN at a temperature of 900 ° C. to 1200 ° C. as shown in FIG. The reactor was divided into four zones, and the temperature in each zone was individually controlled. It had three separate discharge tubes for reaction gas and diluent. Nitrogen and / or hydrogen were used as diluent and carrier gas for both NH 3 and HCl. Nitrogen, Nitrogen for GaCl and NH 3 is prevented from mixing before before impinging on the substrate surface was also sent through the central tube, which acts as a gas curtain or sheath downstream.
GaNテンプレート(平坦なものとランダムにテクスチャ出しされた表面をもつものの両方)は、10から300のNH3/III族前駆体流量比によって制御された30−200μm/時の範囲の高成長速度状態のもとで成長された。テンプレートは種々の技術を用いて成長された。これらの1つは、GaCl(g)又は1000℃でサファイア基板の窒化物化を用いる基板表面前処理と、その後の590℃での薄いGaN緩衝層の成長を用いる三段階成長法であった。また、成長ゾーンは高温GaN成長のために1070℃まで上昇された。別の方法はスパターされたZnOを用いた成長に先行してサファイア表面の外部前処理を使用した。ZnOの通常の厚さは500Åから1500Åであった。また、GaNテンプレートの成長は、直接チャンバーを成長温度まで加熱し、成長を始めるために反応ガスを流すことにより行われる。 GaN templates (both flat and with randomly textured surfaces) have high growth rate states in the range of 30-200 μm / hour controlled by NH 3 / III precursor flow ratios of 10 to 300 Grown under. Templates were grown using a variety of techniques. One of these was a three-step growth method using substrate surface pretreatment using GaCl (g) or nitridation of a sapphire substrate at 1000 ° C., followed by growth of a thin GaN buffer layer at 590 ° C. Also, the growth zone was raised to 1070 ° C. for high temperature GaN growth. Another method used external pretreatment of the sapphire surface prior to growth with sputtered ZnO. The usual thickness of ZnO was 500 to 1500 mm. The growth of the GaN template is performed by directly heating the chamber to the growth temperature and flowing a reaction gas to start the growth.
図8aはHVPE法によって成長したランダムなテクスチャを持つGaNテンプレートのSEM画像を示す。成長は、1000℃で前処理の間25sccmのHCl、590℃で緩衝層成長の間NH3/III族比が150及び1070℃で高温成長の間NH3/III族比が60を用いる三段階成長技術を用いて行われる。テクスチャの程度は、成長速度を制御もする成長前面に到達するGaClの量によることが認められた。 FIG. 8a shows an SEM image of a GaN template with a random texture grown by the HVPE method. Growth is in three stages using 25 sccm HCl during pretreatment at 1000 ° C., NH 3 / III ratio of 150 during buffer layer growth at 590 ° C. and NH 3 / III ratio of 60 during high temperature growth at 1070 ° C. This is done using growth technology. The degree of texture was observed to depend on the amount of GaCl reaching the growth front that also controls the growth rate.
図8aに記載されるテクスチャ出しされた表面の反射率は、図21に示される。この図面からわかりうることとして、反射率は325nmと700nmの間1%以下であった。これは平坦なフィルムの反射率が約18%であるのと対比されるべきである。 The reflectivity of the textured surface described in FIG. 8a is shown in FIG. As can be seen from this drawing, the reflectivity was less than 1% between 325 nm and 700 nm. This should be contrasted with a flat film reflectivity of about 18%.
一つは原子的に平坦な表面を持ち、他方がランダムにテクスチャ出しされた表面を持つHVPEによって成長した二つのGaNフィルムからの室温光ルミネセンス(PL)は、図9に示される。二つのフィルムは10mW HeCdレーザーを用いる同一条件下で測られた。これらのデーターから、テクスチャ出しされた表面を持つ試料の光ルミネセンス強度は、平坦なフィルムの光ルミネセンス強度より55倍大きかったと、我々は視ている。 Room temperature photoluminescence (PL) from two GaN films grown by HVPE, one with an atomically flat surface and the other with a randomly textured surface, is shown in FIG. The two films were measured under the same conditions using a 10 mW HeCd laser. From these data, we see that the photoluminescence intensity of the sample with the textured surface was 55 times greater than the photoluminescence intensity of the flat film.
異なる表面粗さを持つGaNテンプレートの光ルミネセンス
種々の表面テクスチャを持つGaNテンプレートが成長され、それらの光ルミネセンス・スペクトルが244nmで20mWの出力で放射するアルゴン-イオン・レーザーを用いて測定された。これらのテンプレートは原子間力顕微鏡(AFM)によってまず特徴づけされる。GaNテクスチャ出しされたテンプレートVH092403-81(VH81)、VH082504-129(129)、VH061603-63(VH63)及びVH080604-119(VH119)について、AFM表面形態学を図25から32は示す。これらテンプレートのrms粗さは627nmから238nmまで可変である。これらデータからの他の情報は図面の説明書きに挙げられている。
Photoluminescence of GaN templates with different surface roughness GaN templates with different surface textures are grown and their photoluminescence spectra are measured using an argon-ion laser emitting at 244 nm with an output of 20 mW It was. These templates are first characterized by atomic force microscopy (AFM). FIGS. 25-32 show the AFM surface morphology for the GaN textured templates VH092403-81 (VH81), VH082504-129 (129), VH061603-63 (VH63) and VH080604-119 (VH119). The rms roughness of these templates is variable from 627 nm to 238 nm. Other information from these data is listed in the drawing legend.
図25から32に記載されたGaNテクスチャ出しされたテンプレートについての光ルミネセンス・スペクトルは図33に示される。挙げられた挿入図は、半値全幅(FWHM)と共に種々のテンプレートのrms粗さである。 The photoluminescence spectrum for the GaN textured template described in FIGS. 25-32 is shown in FIG. The insets listed are the rms roughness of various templates with full width at half maximum (FWHM).
rms粗さに対するピーク強度は図34に示される。それは、ルミネセンス強度がrms粗さで増加するというこれらのデータから明白である。 The peak intensity versus rms roughness is shown in FIG. It is clear from these data that the luminescence intensity increases with rms roughness.
光取り出しにおいてGaNテクスチャ出しされたテンプレートの効率を更にテストするために、励起強度依存光ルミネセンス測定がなされた。図22bが同じ担体濃度をもつ平坦なフィルム及びテクスチャ出しされたテンプレートでなされた測定を示すのに対して、図22aは、平坦な表面をもつGaNを含む、テクスチャ出しの異なる程度を持つ幾つかのテンプレート間の効率の比較を示す。図面から、高光ルミネセンス強度が高n-ドーピングによらないことが明白である。 To further test the efficiency of the GaN textured template in light extraction, excitation intensity dependent photoluminescence measurements were made. Figure 22b shows the measurements made with a flat film with the same carrier concentration and a textured template, whereas Figure 22a shows several with different degrees of texturing, including GaN with a flat surface. A comparison of the efficiency between templates is shown. From the drawing it is clear that high photoluminescence intensity is not due to high n-doping.
非極性方向に沿ったIII窒化物表面の形成
図23はHVPEによってR−平面サファイア(1-102)で成長したGaNフィルムで得られた表面テクスチャの型を示す。このテンプレートは、実施例7で記載されたように三段階過程によっても成長される。
Formation of III-nitride surface along non-polar direction FIG. 23 shows the type of surface texture obtained with GaN film grown on R-plane sapphire (1-102) by HVPE. This template is also grown by a three-step process as described in Example 7.
図23に記載されたテクスチャ出しされた表面の反射率は図24に示される。この図から知りうることは、反射力が325nmと700nmの間で1%以下であった。 The reflectance of the textured surface described in FIG. 23 is shown in FIG. As can be seen from this figure, the reflectivity was 1% or less between 325 nm and 700 nm.
極性方向に沿ったテクスチャ出しされたGaNテンプレート上にGaN/AlGaN多重量子井戸(MQWs)の形成
テクスチャ出しされたGaNテンプレート上にLED構造を形成する能力を更にテストするために、10対のGaN/Al0.2Ga0.8N MQWsがGaNテクスチャ出しされたテンプレートがVH129上にMBEによって堆積された(図28参照)。MQWsは分子窒素及びGaとAlを蒸発するヌードセン流出セルを活性化するのにRFプラズマ源を用いて形成された。種々のMQWsは量子井戸か障壁のどちらか又は両方に導入したSiによって形成され、n-型にドープされた。代替的には、MQWsは窒素源とするNH3を用いて成長されうるものであった。同様なMQW構造もMOCVDによって成長されうるものであった。同様の方法も電磁スペクトルの近UV及び可視部での放射のための種々の組成物でInGaN/AlGaN MQWsを成長するのに使用できた。図35はGaNテクスチャ出しされたテンプレートVH129上に成長したGaN/AlGaN MQWのAFM表面形態学を示す。表面形態学及びテクスチャはMQWsの堆積の際に変化しなかった。換言すれば、MQWsは等角的にテンプレートの表面を被覆した。
Formation of GaN / AlGaN multiple quantum wells (MQWs) on textured GaN templates along the polar direction To further test the ability to form LED structures on textured GaN templates, 10 pairs of GaN / A template with GaN textured Al0.2Ga0.8N MQWs was deposited on VH129 by MBE (see FIG. 28). MQWs were formed using RF plasma source to activate nude nitrogen efflux cell evaporating molecular nitrogen and Ga and Al. Various MQWs were formed by Si introduced into either quantum wells or barriers, or both, and were doped n-type. Alternatively, MQWs could be grown using NH 3 as the nitrogen source. Similar MQW structures could also be grown by MOCVD. Similar methods could also be used to grow InGaN / AlGaN MQWs with different compositions for emission in the near UV and visible parts of the electromagnetic spectrum. FIG. 35 shows the AFM surface morphology of GaN / AlGaN MQW grown on GaN textured template VH129. The surface morphology and texture did not change during the deposition of MQWs. In other words, MQWs conformally coated the surface of the template.
極性方向に沿って成長したテクスチャ出しされたGaNテンプレート上のGaN/AlGaN多重量子井戸の光ルミネセンス
GaNテクスチャ出しされたテンプレートVH082504-129(図28)上に成長した一つのGaN(7nm)/ Al0.2Ga0.8N(8nm) MQW 構造についての光ルミネセンス・スペクトルは図36に示される。データから知りうるように、MQWsからのルミネセンス強度は、GaNテクスチャ出しされたテンプレートのそれより著しく高い。特にピーク強度の比は14である。さらに、MQWsからの放射は、GaNテクスチャ出しされたテンプレートからの放射に比べて青色シフトされる。
Photoluminescence of GaN / AlGaN multiple quantum wells on textured GaN templates grown along the polar direction
The photoluminescence spectrum for one GaN (7 nm) /Al0.2Ga0.8N (8 nm) MQW structure grown on the GaN textured template VH082504-129 (FIG. 28) is shown in FIG. As can be seen from the data, the luminescence intensity from MQWs is significantly higher than that of the GaN textured template. In particular, the peak intensity ratio is 14. Furthermore, the radiation from MQWs is blue shifted compared to the radiation from the GaN textured template.
図37において、テクスチャ出しされた及び原子的に平坦なGaNテンプレート上にMBEによって成長された同一のGaN/AlGaN MQWsについての光ルミネセンス・スペクトルが、示される。挿入図(a)は、平坦なGaNテンプレート上に成長したMQWsからの光ルミネセンス・スペクトルをより大規模に示す。平坦なテンプレートからの光ルミネセンス・スペクトルにおけるメインピークは、テンプレート自身からの光ルミネセンスによる。MQWsからの光ルミネセンスは、極性(0001)に沿って成長したMQWsに存在するQCSEによる消光であった。平坦なGaNテンプレート上のMQWsからのルミネセンス・スペクトルは挿入図(b)に示されるが、この中で低電圧(4KV)陰極ルミネセンス(CL)はできるだけ表面近くを探るために使用された。挿入図から、MQWsのルミネセンス・ピークは396nmに中心点が見出された。もし平坦なテンプレート上のMQWsからのカウント数が約5000に概算されるならば、そして、テクスチャ出しされたテンプレート上のMQWsからの光ルミネセンスのピーク強度が3.50×106であるなら、その比は約700である。 In FIG. 37, the photoluminescence spectra for the same GaN / AlGaN MQWs grown by MBE on textured and atomically flat GaN templates are shown. Inset (a) shows on a larger scale the photoluminescence spectrum from MQWs grown on a flat GaN template. The main peak in the photoluminescence spectrum from the flat template is due to the photoluminescence from the template itself. The photoluminescence from MQWs was quenching by QCSE present in MQWs grown along polarity (0001). The luminescence spectrum from MQWs on a flat GaN template is shown in inset (b), in which low voltage (4KV) cathodoluminescence (CL) was used to probe as close to the surface as possible. From the inset, the center point of the luminescence peak of MQWs was found at 396 nm. If the count from MQWs on the flat template is estimated to be about 5000, and if the photoluminescence peak intensity from MQWs on the textured template is 3.50 × 10 6 The ratio is about 700.
GaNテクスチャ出しされたテンプレート上に成長したGaN(5nm)/Al0.2Ga0.8N(8nm) MQWsからの光ルミネセンス強度におけるこの非常に著しい増加を理解するために、スポット陰極ルミネセンス測定がこのような試料から実行された。特に、陰極ルミネセンス・スペクトルは、図38に示されるように試料の平らな領域(近似的に(0001)配向)及び傾斜領域に電子線の焦点を合わせることによって測定された。この図はある方向に沿って表面の断面を表す。図38に示される点AからCにおいて取られた陰極ルミネセンス・スペクトルは図39に示される。図39(a)は大きな照射領域(60μm×40μm)からの陰極ルミネセンス・スペクトルを示す。356nm及び375nmの二つのピークは、(0001)極性方向に垂直でない量子井戸(356nm)及び(0001)極性方向にほぼ垂直な量子井戸(375nm)からのルミネセンスに起因する。375nmが赤色シフトするのに対して、356nmのピークはバルクGaN陰極ルミネセンスピーク(364nm)に関して青色シフトされる。375ピークの赤色シフト及びその弱い強度もMQWsを歪める極性効果による内部電界によると説明されうる。この現象はQCSEである。図39(b)は、図38に示される様なMQWsの半ば平たい領域上のポイント照射領域からのスペクトルを示す。予期した通り、382nmのルミネセンスはQCSEによる歪んだ量子井戸からのものである。359nmのより小さなピークは、平たい表面における微小の粗さに起因し、よって量子井戸表面の小さな部分は(0001)に垂直でない。図39(c)は、図38における点Bからとられる陰極ルミネセンス・スペクトルを示す。この場合に、スペクトルは二つのピークに分離し、GaNテンプレートからの放射に起因する一つは356nmでのMQW放射からものでありもう一方は、364nmでのMQW放射からものである。さらに、その表面が(0001)方向に垂直でないMQWsは、バルクについて青色シフトする発光を示し、QCSEの顕著な減少による強烈なルミネセンスをもつことをデータは支持する。図39(d)は、図38の点Cからの陰極ルミネセンス・スペクトルを示す。さらに、ルミネセンスは、QCSEに煩わされないQW放射に一致した356nmに生じる。 To understand this very significant increase in photoluminescence intensity from GaN (5 nm) /Al0.2Ga0.8N (8 nm) MQWs grown on GaN textured templates, spot cathodoluminescence measurements are Run from a fresh sample. In particular, the cathodoluminescence spectrum was measured by focusing the electron beam on the flat region (approximately (0001) orientation) and tilted region of the sample as shown in FIG. This figure represents a cross section of the surface along a certain direction. The cathodoluminescence spectrum taken at points A to C shown in FIG. 38 is shown in FIG. FIG. 39 (a) shows the cathodoluminescence spectrum from a large irradiation area (60 μm × 40 μm). The two peaks at 356 nm and 375 nm are due to luminescence from a quantum well (356 nm) that is not perpendicular to the (0001) polarity direction and a quantum well (375 nm) that is approximately perpendicular to the (0001) polarity direction. The 356 nm peak is blue shifted with respect to the bulk GaN cathodoluminescence peak (364 nm), whereas 375 nm is red shifted. The red shift of the 375 peak and its weak intensity can also be explained by the internal electric field due to the polar effect that distorts MQWs. This phenomenon is QCSE. FIG. 39 (b) shows a spectrum from a point irradiation region on a semi-flat region of MQWs as shown in FIG. As expected, the 382 nm luminescence is from a distorted quantum well by QCSE. The smaller peak at 359 nm is due to the minute roughness on the flat surface, so the small part of the quantum well surface is not perpendicular to (0001). FIG. 39 (c) shows the cathodoluminescence spectrum taken from point B in FIG. In this case, the spectrum separates into two peaks, one due to the emission from the GaN template is from MQW radiation at 356 nm and the other is from the MQW emission at 364 nm. Furthermore, the data support that MQWs whose surface is not perpendicular to the (0001) direction show luminescence that is blue-shifted with respect to the bulk and have intense luminescence due to a significant decrease in QCSE. FIG. 39 (d) shows the cathodoluminescence spectrum from point C in FIG. Furthermore, luminescence occurs at 356 nm, consistent with QW radiation that is not bothered by QCSE.
極性方向に沿って成長したテクスチャ出しされたGaNテンプレート上のGaN p-n接合LED構造の形成
厚さ〜0.5μmの高導電性Mg-ドープp-GaN(正孔密度〜1018cm-3)はn-型自動ドープされた(電子密度〜1019cm-3が代表的)テクスチャ出しされたGaNテンプレートの最上部にMBEによって堆積された。p-型GaNフィルムは、分子窒素を活性化するRFプラズマ源及びGa及びMgを蒸発させるヌードセン流出セルを用いて形成された。成長は、過剰なGaリッチの条件で行われたが、それは比較的高基板温度(700℃-800℃)でMgの取り込みを助ける。代わりになるべきものとして、p-型層が窒素源としてNH3を用いて成長させることができた。同様のp-型層もMOCVD又はHVPE法によって成長させることができた。図12はテクスチャ出しされたGaNテンプレート上に作られたGaN p-n接合構造のウエハ・レベル・エレクトロルミネセンス・スペクトルを示す。このスペクトルは80mAの電流注入の下で室温で取られた。
Formation of GaN pn-junction LED structure on textured GaN template grown along the polar direction Thickness ~ 0.5μm highly conductive Mg-doped p-GaN (hole density -10 18 cm -3 ) is is n- type automatic doping (electron density to 10 19 cm -3 is representative) are deposited by MBE on top of textured GaN template. The p-type GaN film was formed using an RF plasma source that activates molecular nitrogen and a Nudesen efflux cell that evaporates Ga and Mg. The growth was done under excessive Ga-rich conditions, which helped Mg uptake at relatively high substrate temperatures (700 ° C.-800 ° C.). As an alternative, p-type layers could be grown using NH 3 as a nitrogen source. Similar p-type layers could also be grown by MOCVD or HVPE methods. FIG. 12 shows the wafer level electroluminescence spectrum of a GaN pn junction structure made on a textured GaN template. This spectrum was taken at room temperature under 80 mA current injection.
GaN/AlGaN MQW LEDsの成長と特性
本文献に報告されたIII窒化物の研究の大部分は、種々の堆積方法による(0001)サファイア又は6H−SiC基板上にこれらの材料のヘテロエピタキシャルな成長を含む。これらの基板上に成長した材料及び装置は、高密度の貫通欠陥(転位及び転置ドメイン境界)を含む。さらに、(0001)配向は非中心対称性ウルツァイト構造において極性方向であり、それは自発的及びピエゾ電子極性によるヘテロ構造での内部電界を生じる。このような極性効果が幾つかの型の装置で望ましい場合がある(例えば、FETsにおけるピエゾ電子ドーピング)のに対して、QCSEによる多重量子井戸(MQW)構造に基づく放射は望ましいものではない。この効果は量子井戸の歪によるQW放射における赤色シフトを生じ、そしてまた、電子及び正孔波動関数は空間で分離されるので、量子効率の減少を生じる。(図40a参照)
Growth and properties of GaN / AlGaN MQW LEDs The majority of the III nitride studies reported in this document are based on heteroepitaxial growth of these materials on (0001) sapphire or 6H-SiC substrates by various deposition methods. Including. Materials and devices grown on these substrates contain a high density of threading defects (dislocations and translocation domain boundaries). Furthermore, the (0001) orientation is the polar direction in the non-centrosymmetric wurtzite structure, which creates an internal electric field in the heterostructure due to spontaneous and piezoelectron polarities. While such polar effects may be desirable in some types of devices (eg, piezoelectron doping in FETs), radiation based on QCSE multiple quantum well (MQW) structures is undesirable. This effect results in a red shift in QW radiation due to quantum well strain, and also results in a decrease in quantum efficiency because the electron and hole wavefunctions are separated in space. (See Figure 40a)
ホモエピタキシャルな成長が、自立の(10-10)GaN基板(M−面)上のGaN/AlGaN MQWについて論証され、(11−20)方向に沿ってフィルムを導くサファイア(10−12)(R−面)上に成長した同様なMQWsについても同様である。(10−10)及び(11−20)の両方向は、MQWsの平面に極性ベクトルを持つ。図40bに示されるように、AlGaN/GaN MQWs の光ルミネセンスピーク位置は、極性方向をもつ同様なMQWsが著しい赤色シフトを示す間に、非極性方向に沿って成長したMQWsについて方形井戸動作に従う。ルミネセンス発光効率は、5nmの厚さ以上の量子井戸について非極性方向に沿って成長したQWsについてより約20倍大きかった。 Homoepitaxial growth is demonstrated for GaN / AlGaN MQW on a free-standing (10-10) GaN substrate (M-plane), leading to a film along the (11-20) direction sapphire (10-12) (R The same applies to the same MQWs grown on the-surface. Both directions (10-10) and (11-20) have polarity vectors in the plane of MQWs. As shown in FIG. 40b, the photoluminescence peak position of AlGaN / GaN MQWs follows a square well behavior for MQWs grown along the nonpolar direction while similar MQWs with a polar direction show a significant red shift. . The luminescence emission efficiency was about 20 times greater for QWs grown along the non-polar direction for quantum wells with a thickness of 5 nm or more.
HVPEによるGaNテンプレートの成長及び特徴
HVPEによるGaNテンプレートの成長及び特徴はキャバルらによって報告されているが、全体で、参照によりここに組み入れられる。
Growth and characteristics of GaN templates by HVPE
The growth and characteristics of HVPE GaN templates have been reported by Caval et al., But are incorporated herein by reference in their entirety.
GaNテンプレート(平坦な及びランダムにテクスチャ出しされた両表面をもつ)は、30-200μm/時の範囲で高成長速度条件下で成長されたが、これは NH3/III族前駆体流量比が10から300によって制御された。テンプレートの成長の間、三段階成長法が使われた。これは1000℃でなすGaCl前処理工程、続く550℃から650℃の間の温度で低温GaN緩衝の成長、そして最後に高温GaN エピ層の成長からなっていた。 GaN templates (with both flat and randomly textured surfaces) were grown under high growth rate conditions in the range of 30-200 μm / hour, which has NH 3 / III precursor flow ratios Controlled by 10 to 300. During the template growth, a three-stage growth method was used. This consisted of a GaCl pretreatment step at 1000 ° C., followed by growth of a low temperature GaN buffer at a temperature between 550 ° C. and 650 ° C., and finally a growth of a high temperature GaN epilayer.
テンプレートは走査電子顕微鏡(SEM)、光ルミネセンス、反射率及びホール効果測定による特徴があった。光ルミネセンス測定は、励起源としてHe-Cdレーザーを用いてなされ、一方、反射率測定は広域帯光源として150Wキセノンランプを使用してなされた。 The template was characterized by scanning electron microscope (SEM), photoluminescence, reflectance and Hall effect measurements. Photoluminescence measurements were made using a He—Cd laser as the excitation source, while reflectance measurements were made using a 150 W xenon lamp as the broadband light source.
図8は平坦な(図8b)及びテクスチャ出しされた(図8a)GaNテンプレートのSEM画像を示す。これらの画像は電子線に対して30°傾斜した試料で取られた。テンプレート上の表面テクスチャの程度は、成長前端に達するGaClの量によるものと分かったが、これもフィルムの成長速度を制御している。平坦なGaNテンプレートの原子間力顕微鏡表面形態学は図8cに示す。この結果から分かるように、フィルムは原子的に平坦であって、ステップフロー成長モードのもとで成長させた。 FIG. 8 shows SEM images of flat (FIG. 8b) and textured (FIG. 8a) GaN templates. These images were taken with samples tilted 30 ° with respect to the electron beam. The degree of surface texture on the template was found to be due to the amount of GaCl reaching the growth front, which also controls the growth rate of the film. The atomic force microscope surface morphology of the flat GaN template is shown in FIG. 8c. As can be seen from the results, the film was atomically flat and was grown under the step flow growth mode.
図41aはテクスチャ出しされたテンプレート表面の100μm2AFMスキャンを示す。AFMデータの深度分析(図41b)は表面粗さのガウス分布(ランダム分布)を示す。表面テクスチャの種々の程度をもつGaNテンプレートは、800nmから3μmに入る平均深度をもって製造された。 FIG. 41a shows a 100 μm 2 AFM scan of the textured template surface. A depth analysis of the AFM data (FIG. 41b) shows a Gaussian distribution (random distribution) of the surface roughness. GaN templates with varying degrees of surface texture were produced with average depths ranging from 800 nm to 3 μm.
図8aで記載されたテクスチャ出しされたテンプレートの反射率は325nm及び700nmの間で1%以下であると測定された。すなわち、広域帯光源からのほとんど全ての入射光はGaNテクスチャ出しされたテンプレートと結合している。これは、約18%である平坦なフィルムの反射力と対照されるべきだ。 The reflectance of the textured template described in FIG. 8a was measured to be less than 1% between 325 nm and 700 nm. That is, almost all incident light from the broadband light source is combined with the GaN textured template. This should be contrasted with the reflectivity of a flat film that is about 18%.
調査されたテクスチャ出しされたテンプレートについての電子濃度に対する電子移動度は図42に示される。データーから分かるように、これらGaNテンプレートはすべて厚くn-型に自動ドープされ、よってGaN LEDsにおける底部接触層に適している。 The electron mobility versus electron concentration for the textured template that was investigated is shown in FIG. As can be seen from the data, all of these GaN templates are thick and auto-doped to n-type and are therefore suitable for the bottom contact layer in GaN LEDs.
HVPE法によって成長された、二つのGaNテンプレートからの室温光ルミネセンス(PL)は、一つは原子的に平坦な表面で、他方はランダムにテクスチャ出しされた表面を持つものが、図9に示される。二つの試料は10mW He−Cdレーザーを用いた同一の条件で測定された。テクスチャ出しされた表面を持つ試料のピーク光ルミネセンス強度は、平坦な表面をもつ試料の光ルミネセンスより近似的に55倍大きかった。 The room temperature photoluminescence (PL) from two GaN templates grown by the HVPE method, one with an atomically flat surface and the other with a randomly textured surface, is shown in FIG. Indicated. Two samples were measured under the same conditions using a 10 mW He-Cd laser. The peak photoluminescence intensity of the sample with the textured surface was approximately 55 times greater than the photoluminescence of the sample with the flat surface.
ランダムにテクスチャ出しされたGaN表面からの光ルミネセンス強度の顕著な増大は、テクスチャ出しされた表面を通して上昇した光取り出しに部分的に帰する。表面のランダムなテクスチャ出しにより、逃避円錐が半導体と空気の屈折率により定義されたものにより制限されないから、単一の光子の逃避可能性増加が存在する。これは、テクスチャ出しされたテンプレートにおける屈折率が、GaNに対応する2.5の値から空気に対応する1.0まで光学軸に沿って徐々に変化するからである。換言すれば、境界面のランダム テクスチャにより各放射された光子について利用可能な付加的逃避角が存在する。これは、回折格子を通しての伝送に類似していて、該格子は入射波に位相シフトを与え、入射光(9)の波長による特定の角度で波頭を曲げる。この場合に、位相シフトは、格子/空気界面での格子材料の厚さの周期的変化(又は周期的表面テクスチャ)により制御される。テクスチャ出しされたGaNテンプレートの場合に、表面のテクスチャは周期的でないが、ランダムであり、これは界面を横切ってランダムな位相シフトを生じる。これは、光子逃避可能性を効果的に増加させる逃避角度のランダム化を導く。よって、表面テクスチャは、図43bに図示するように平坦な界面をもちいて定義された臨界角内ではないより大きい逃避角を許容する。 The significant increase in photoluminescence intensity from the randomly textured GaN surface is partly attributed to the increased light extraction through the textured surface. Due to the random texturing of the surface, there is an increased escape probability of a single photon because the escape cone is not limited by what is defined by the refractive index of the semiconductor and air. This is because the refractive index in the textured template gradually changes along the optical axis from a value of 2.5 corresponding to GaN to 1.0 corresponding to air. In other words, there is an additional escape angle available for each emitted photon due to the random texture of the interface. This is similar to transmission through a diffraction grating, which gives the incident wave a phase shift and bends the wavefront at a certain angle depending on the wavelength of the incident light (9). In this case, the phase shift is controlled by a periodic change (or periodic surface texture) of the thickness of the grating material at the grating / air interface. In the case of textured GaN templates, the surface texture is not periodic but random, which results in a random phase shift across the interface. This leads to a randomization of the escape angle that effectively increases the photon escape potential. Thus, the surface texture allows a larger escape angle that is not within a critical angle defined with a flat interface as illustrated in FIG. 43b.
もし、テクスチャ出しされたGaNテンプレートからの放射光ルミネセンスの取り出し効率が100%ならば、その時平坦でテクスチャなテンプレートの等しいIQEの仮定のもとで、テクスチャ出しされた及び平坦なテンプレートからの光ルミネセンス強度の比は25であるべきだった。しかし、ここに示すデータは、この比が55に等しいことをしめしている。これは、テクスチャ出しされたGaNテンプレートのIQEが平坦なGaNテンプレートのそれより少なくとも2倍以上高くあるべきであることを意味する。テクスチャ出しされたテンプレートからのIQEは、テクスチャ出しされたテンプレートからの取り出し効率が正確に100%であることはありそうもないから、平坦なテンプレートのIQEより2倍以上で実際にあるべきである。理論上、テクスチャ出しされた表面に関連する無秩序はある程度の電位変動を導き、よって励起子は局在化する電位最小値に捕獲される。これは、励起子局在による増大した自発的放射の可能性を導く。 If the extraction efficiency of the synchrotron radiation from the textured GaN template is 100%, then the light from the textured and flat template under the assumption of equal IQE of the flat texture template The ratio of luminescence intensity should have been 25. However, the data shown here shows that this ratio is equal to 55. This means that the IQE of the textured GaN template should be at least twice as high as that of the flat GaN template. The IQE from a textured template should actually be more than twice that of a flat template, as it is unlikely that the extraction efficiency from a textured template will be exactly 100%. . Theoretically, the disorder associated with the textured surface leads to some potential variation, so that excitons are trapped at the localized potential minimum. This leads to the possibility of increased spontaneous emission due to exciton localization.
種々の表面テクスチャをもつGaNテンプレート上のMBEによるGaN/AlGaN MQWsの成長及び特徴
種々の表面テクスチャをもつGaNテンプレート上のMBEによるGaN/AlGaN MQWsの成長及び特徴は、キャバル等によって記載され、その全体がここに参照によって取り込まれる。
Growth and characteristics of GaN / AlGaN MQWs by MBE on GaN templates with different surface textures Growth and characteristics of GaN / AlGaN MQWs by MBE on GaN templates with different surface textures are described by Cabal et al. Is hereby incorporated by reference.
10対のGaN/Al0.2Ga0.8N MQWは、750℃の基板温度で、井戸の厚さ7nm及び障壁の厚さ8nmで、テクスチャ出しされたものと平坦なGaNテンプレートの両方の上でMBEによって堆積された。テクスチャ出しされたテンプレート上のMQWsのAFM研究は、MQWsが等角にテクスチャ出しされたGaNテンプレートを覆ったことを示す。 Ten pairs of GaN / Al0.2Ga0.8N MQW with MBE on both textured and flat GaN templates with a substrate temperature of 750 ° C., a well thickness of 7 nm and a barrier thickness of 8 nm. Deposited. An AFM study of MQWs on textured templates shows that MQWs covered conformally textured GaN templates.
GaNテクスチャ出しされたテンプレート上に成長した10周期GaN(7nm)/Al0.2Ga0.8N (8nm) MQWsについて(0002)ブラッグ・ピークの周囲のX線回折パターンは、図44に示される。この図は、一次及びより高いオーダーの超格子ピークの出現によって示されるようなランダムにテクスチャ出しされたテンプレート上にMQWsが形成されうる更なる証拠を示す。更に、これらのピークの観察は、AlGaN障壁及びGaN井戸の間の険しい界面を示す。図44はまた、動学上の分散モデルを用いるシミュレーション結果を示す。AlGaN障壁とGaN井戸が等しい成長速度を持つと仮定して、シミュレーション結果は障壁幅8.2nm及び井戸幅7.2nmに対応する15.4nmの周期を決定した。第ゼロオーダー超格子ピークの位置から及びこの材料システムにおいてベガードの法則の有効性を仮定するなら、AlGaN障壁におけるAl組成は20%までと決定された。この値は目的の厚さ(8nm障壁及び7nm井戸幅)及び成長の間の合金組成(20%Al)に一致している。 The X-ray diffraction pattern around the (0002) Bragg peak for 10-period GaN (7 nm) /Al0.2 Ga0.8N (8 nm) MQWs grown on a GaN textured template is shown in FIG. This figure shows further evidence that MQWs can be formed on randomly textured templates as shown by the appearance of primary and higher order superlattice peaks. Furthermore, observation of these peaks indicates a steep interface between the AlGaN barrier and the GaN well. FIG. 44 also shows the simulation results using a dynamic distribution model. Assuming that the AlGaN barrier and GaN well have equal growth rates, the simulation results determined a period of 15.4 nm corresponding to a barrier width of 8.2 nm and a well width of 7.2 nm. From the position of the zero order superlattice peak and assuming the effectiveness of Vegard's law in this material system, the Al composition in the AlGaN barrier was determined to be up to 20%. This value is consistent with the desired thickness (8 nm barrier and 7 nm well width) and the alloy composition during growth (20% Al).
平坦な及びテクスチャ出しされたGaNテンプレート上に成長したMQWsからの光ルミネセンス・スペクトルは図11及び図12にそれぞれ示される。平坦なGaNテンプレート上に成長したMQWsからの光ルミネセンス・スペクトル (図11) は、主に364nmのGaNテンプレートからの光ルミネセンスを示し、約396nmに非常に小さくて広いルミネセンスピークが示された。さらに、この小さなピークがQWsからのルミネセンスによるとの立証は、QWsを探るために低加速電圧(4KV)を用いる同じ試料の陰極ルミネセンス・スペクトルを測定することによって示された。これらのデータは図11の挿入図に示される。実際データは、364nmのGaNテンプレートからのルミネセンスに加えて、396nmに生じる広いピークはQWsからの陰極ルミネセンスに対応する。よって、QWsからのルミネセンスはバルクに関して赤色シフトされ、大きさにおいて顕著に減少される。これらの結果の両者は、これらQWsが(0001)極性方向に垂直であるから、量子閉じ込めシュタルク効果(QCSE)に矛盾しない。 Photoluminescence spectra from MQWs grown on flat and textured GaN templates are shown in FIGS. 11 and 12, respectively. The photoluminescence spectrum from MQWs grown on a flat GaN template (FIG. 11) shows mainly photoluminescence from the 364 nm GaN template with a very small and broad luminescence peak at about 396 nm. It was. Furthermore, the proof that this small peak is due to luminescence from QWs was shown by measuring the cathodoluminescence spectrum of the same sample using a low acceleration voltage (4 KV) to explore QWs. These data are shown in the inset of FIG. In fact, the data show that in addition to luminescence from the 364 nm GaN template, the broad peak occurring at 396 nm corresponds to cathodoluminescence from QWs. Thus, the luminescence from QWs is red-shifted with respect to the bulk and is significantly reduced in size. Both of these results are consistent with the quantum confined Stark effect (QCSE) because these QWs are perpendicular to the (0001) polarity direction.
図12はテクスチャ出しされたGaNテンプレート上に成長したMQWsからの光ルミネセンス・スペクトルを示す。比較のために、テクスチャ出しされたGaNテンプレートからの光ルミネセンス・スペクトルが同じ図に示されている。MQWsからの光ルミネセンス・スペクトルはバルクGaN光ルミネセンス・スペクトルに関して青色シフトしていて、またルミネセンス強度はテクスチャ出しされたGaNテンプレートからのそれより著しく高かったことに注目することが重要である。これら両方の結果は方形量子井戸に一致する。換言すれば、テクスチャ出しされたGaNテンプレートにおける量子井戸が(0001)方向に垂直でないから、それらは極性に関連する内部電界によって歪まされていない。 FIG. 12 shows the photoluminescence spectrum from MQWs grown on the textured GaN template. For comparison, the photoluminescence spectrum from a textured GaN template is shown in the same figure. It is important to note that the photoluminescence spectrum from MQWs is blue-shifted with respect to the bulk GaN photoluminescence spectrum and that the luminescence intensity is significantly higher than that from the textured GaN template. . Both of these results are consistent with a square quantum well. In other words, since the quantum wells in the textured GaN template are not perpendicular to the (0001) direction, they are not distorted by an internal electric field related to polarity.
図11及び図12におけるMQWsのピーク光ルミネセンスの直接の比較は、ひだのあるMQWsからの光ルミネセンス強度が平坦なMQWsからのそれより〜700倍高いことを示している。ひだのあるMQWsからの光ルミネセンスのこの顕著な上昇は、テクスチャ出しされた表面を通しての光取り出しにおける上昇及び自発的放射速度の上昇に部分的に起因している。もし、テクスチャ出しされた表面からの光取り出しによる上昇が平坦な表面からのそれより25倍高い要素であると仮定するなら、自発的放射速度の上昇によるに違いない付加的に約30倍の係数が存在する。先に議論した証拠は、量子井戸が極性(0001)方向に垂直でないから、IQEにおける増加はQCSEの減少によることが示唆される。さらなるIQEにおける上昇は、楔形電子固有モードからの量子担体制限によるとものと期待される。後者は、量子井戸のV型交差する平面による2Dから1Dへの担体挙動での遷移にその起源をもち、これにより楔形は量子弦としてふるまい、これは励起子の局在化及び捕獲を生じる。
A direct comparison of the peak photoluminescence of MQWs in FIGS. 11 and 12 shows that the photoluminescence intensity from pleated MQWs is ˜700 times higher than that from flat MQWs. This significant increase in photoluminescence from pleated MQWs is due in part to increases in light extraction through textured surfaces and increases in spontaneous emission rates. If the rise from light extraction from the textured surface is assumed to be a
蛍光体を用いない白色LED
この例はリンのようなエミッターを用いることなしにGaNに基づく白色LED又は種々の着色のLEDを作る方法を述べる。
White LED without phosphor
This example describes how to make GaN based white LEDs or various colored LEDs without using an emitter such as phosphorus.
図14aは、ルミレッズ・テクニカル・データー・シートDS25から取られた商業的に利用可能な白色LEDのスペクトルを示す。この白色LEDは、近似的に430nmで発光し、550nmでのピークに広いスペクトルを発光するYAG蛍光体を励起する窒化物LED構造に基づく。テクスチャ出しされたInGaN/GaN MQWsに基づいて製作されたLED構造は、HVPEによって製造されたテクスチャ出しされたGaNテンプレート上に成長された。これらのLEDは蛍光体を使用しないで図14aに示すものと同じスペクトルを持つ。 FIG. 14a shows the spectrum of a commercially available white LED taken from Lumileds Technical Data Sheet DS25. This white LED is based on a nitride LED structure that excites a YAG phosphor that emits approximately 430 nm and emits a broad spectrum with a peak at 550 nm. LED structures fabricated based on textured InGaN / GaN MQWs were grown on textured GaN templates fabricated by HVPE. These LEDs have the same spectrum as shown in FIG. 14a without the use of phosphors.
図14bはこのようなLEDのエレクトロルミネセンス・スペクトルを示す。スペクトルは30mAのDC注入電流のもとで測定された。これらのスペクトルは、蛍光体が537nmに幅広い放射の発生のために使われなかったけれども、図14aに示された商業的に利用可能な白色LEDのスペクトルと著しい類似点をもつ。図14cは、そのスペクトルが25mAのDC注入電流を用いる図14bに示されるLEDを示す。 FIG. 14b shows the electroluminescence spectrum of such an LED. The spectrum was measured under a DC injection current of 30 mA. These spectra have significant similarities to the spectrum of the commercially available white LED shown in FIG. 14a, even though the phosphor was not used for the generation of broad emission at 537 nm. FIG. 14c shows the LED shown in FIG. 14b with a DC injection current whose spectrum is 25 mA.
これら二つのピーク間の相対的強度は電流注入のレベルに依存する。高エネルギー帯がバイアス電流で増加した。同じLEDは、その色が二つの帯域の相対比によるから、異なる色を生じることができた。図15a-15cにおいて、同じふるまいを示す他のLED装置のスペクトルが示される。 The relative intensity between these two peaks depends on the level of current injection. The high energy band increased with bias current. The same LED could produce different colors because its color depends on the relative ratio of the two bands. In FIGS. 15a-15c, the spectra of other LED devices exhibiting the same behavior are shown.
図16は図15bに記載されたようなDC注入のもとで取られたLED構造の写真を示す。期待通りにLEDは、緑色帯がより顕著なものであるから、緑色をもつ。しかし、ウエハのある部分は青色光を発光した。 FIG. 16 shows a photograph of an LED structure taken under DC injection as described in FIG. 15b. As expected, the LED has a green color because the green band is more prominent. However, some parts of the wafer emitted blue light.
図17において、エレクトロルミネセンス・スペクトルのDC注入電流への依存は、二つの異なるLEDを表示する。右側のLEDは平らな表面のより大きな割合をもつ。 In FIG. 17, the dependence of the electroluminescence spectrum on the DC injection current displays two different LEDs. The right LED has a larger proportion of a flat surface.
MBEを用いるテクスチャ出しされたテンプレートの製作
GaNテンプレートはプラズマ支援MBEによって作られたが、このうちガリウムは分子窒素をプラズマ源に通すことによって得られた原子窒素と反応する。試料は両方とも825℃で成長した。核形成は、富ガリウム条件下の成長(活性窒素の流量よりガリウムの流量の方が大きい)は平坦な表面(図45a)を生じ、富窒素条件下の成長(ガリウムの流量より活性窒素の流量の方が大きい)はランダムにテクスチャ出しされた表面(図45b)を生じたほかは同一であった。
Making textured templates using MBE
The GaN template was made by plasma-assisted MBE, among which gallium reacts with atomic nitrogen obtained by passing molecular nitrogen through a plasma source. Both samples grew at 825 ° C. Nucleation grows under gallium-rich conditions (gallium flow is greater than active nitrogen flow) yields a flat surface (FIG. 45a), and grows under nitrogen-rich conditions (active nitrogen flow over gallium flow). Was larger except that it produced a randomly textured surface (FIG. 45b).
量子井戸層の厚さにおけるQCSEの依存
QCSEは量子井戸層の幅に依存することが予期されるから、厚さ5.5nm及び7.0nmをもつ量子井戸層のPLスペクトルが調査された。図46a及び46bは、平坦な及びテクスチャ出しされたGaN/Al0.2Ga0.8N MQWs両方の井戸幅に対する、それぞれ放射ピーク及びルミネセンス強度の依存性を示す。図46aをみると、平坦なMQWsからのPLスペクトルは赤色シフトされたが、テクスチャ出しされたMQWsからのPLスペクトルはバルクGaN放射に関してやや青色シフトされていた。相応じて、平坦なMQWsからのPL強度は、井戸幅が狭くなるに伴い増加したが、一方、図46bに示されるようにテクスチャ出しされたMQWsからのわずかな増加のみがあった。これらの結果は、QCSEに定性的に一致する。
QCSE dependence on quantum well layer thickness.
Since QCSE is expected to depend on the width of the quantum well layer, the PL spectra of quantum well layers with thicknesses of 5.5 nm and 7.0 nm were investigated. Figures 46a and 46b show the dependence of the emission peak and luminescence intensity, respectively, on the well width of both flat and textured GaN / Al0.2Ga0.8N MQWs. Looking at FIG. 46a, the PL spectrum from flat MQWs was red-shifted, but the PL spectrum from textured MQWs was slightly blue-shifted with respect to bulk GaN emission. Correspondingly, the PL intensity from flat MQWs increased with decreasing well width, whereas there was only a slight increase from textured MQWs as shown in FIG. 46b. These results are qualitatively consistent with QCSE.
量子井戸層における内部電界及び極性の効果
量子井戸層の傾斜した部分における自発的発光の増加は、量子井戸のV型の交差平面による2Dから1Dへの(及び可能性として0D)担体動作の変遷によって説明される。よって、傾斜部分は、励起子の局在化及び捕獲を生じる、量子弦(量子ドット)としてふるまうことができる。さらに、図47aに示されるように、量子井戸層に平行な極性成分により、図47bに示されるように、楔形部分の電子の蓄積が予期される。これら楔形における平衡電荷密度により、自発的放射の上昇がプラズモン効果から生じ得る。
Effects of internal electric field and polarity in the quantum well layer Spontaneous light emission increase in the inclined part of the quantum well layer is due to the transition of the carrier behavior from 2D to 1D (and possibly 0D) by the V-shaped crossing plane of the quantum well. Explained by Thus, the tilted portion can behave as a quantum string (quantum dot) that causes exciton localization and capture. Furthermore, as shown in FIG. 47a, due to the polar component parallel to the quantum well layer, accumulation of electrons in the wedge-shaped portion is expected as shown in FIG. 47b. Due to the equilibrium charge density in these wedges, an increase in spontaneous emission can result from the plasmon effect.
本発明は、ここでは好ましい実施形態に関連して説明されてきたが、当業者は、先の明細書を読んだ後に、ここに言及されている装置及び方法に対して、変化、均等物の置換及び他の変更をもたらすことが可能となる。上述した各実施形態は、他の実施形態のいずれか又は全てに関して開示されたそのような変形を含むか組み入れることが可能である。それ故、特許によって与えられる保護は、添付された請求の範囲及びその均等物に含まれる定義によってのみ広さを制限されることが意図されている。 Although the present invention has been described herein with reference to a preferred embodiment, those skilled in the art will recognize variations, equivalents to the apparatus and methods referred to herein after reading the foregoing specification. Substitutions and other changes can be made. Each of the above-described embodiments can include or incorporate such variations disclosed with respect to any or all of the other embodiments. Therefore, the protection afforded by the patent is intended to be limited in scope only by the definitions contained in the appended claims and their equivalents.
2 基板
3 p−n接合
4a AlNテンプレート
4b n−ドープされたAlGaNの層
5 障壁層
7 量子井戸層
8a p−ドープされたAlGaNの層
8b p−ドープされたGaNの層
9 テクスチャ出しされた層
11,13 電極
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2
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Claims (41)
サファイア、炭化シリコン、酸化亜鉛、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム及び窒化アルミニウムガリウムからなる群から選択された材料からなる基板と、
前記基板上の第1の層であって、III族窒化物半導体からなると共に、第1の層の表面がランダムにテクスチャ出しされたトポロジーを有する第1の層と、
第1の層がn型ドープされ、及び第1の層が第1接点と電気的に結合され、
障壁層と交互になると共に、第1の層の表面によってテクスチャ出しされた1以上の量子井戸層とを備え、
障壁層はIII族窒化物半導体からなり、また量子井戸層はIII族窒化物半導体からなり、
上部層はIII族窒化物半導体からなり、該上部層は近接した量子井戸層の表面によってテクスチャ出しされ、該上部層p型ドープされ、該上部層は第2接点と電気的に結合され、装置のエレクトロルミネセンス・スペクトルは前記第1及び第2接点の間の装置を通って電流が通過することによって制御されることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device used as an emitter,
A substrate made of a material selected from the group consisting of sapphire, silicon carbide, zinc oxide, silicon, gallium arsenide, gallium nitride, aluminum nitride and aluminum gallium nitride;
A first layer on the substrate, the first layer comprising a group III nitride semiconductor and having a topology in which the surface of the first layer is randomly textured;
The first layer is n-type doped, and the first layer is electrically coupled to the first contact;
One or more quantum well layers alternating with the barrier layers and textured by the surface of the first layer;
The barrier layer is made of a group III nitride semiconductor, and the quantum well layer is made of a group III nitride semiconductor.
The upper layer is made of a group III nitride semiconductor, the upper layer is textured by the surface of the adjacent quantum well layer, the upper layer is p-type doped, the upper layer is electrically coupled to the second contact, and the device The electroluminescence spectrum of the semiconductor device is controlled by passing current through the device between the first and second contacts.
III族窒化物半導体からなる前記基板上の第一層であって、該第一層の表面がランダムにテクスチャ出しされたトポロジーを持ち、該第一層がn-ドープされ、及び該第一層が第一接点に電気的に結合され、
障壁層と交互になっていて及び第一層の表面によってテクスチャ出しされた1以上の量子井戸層であって、該障壁層がIII窒化物半導体からなり、量子井戸層がIII族窒化物半導体からなり、
III族窒化物半導体からなる上部層であって、該上部層は第一層から最も遠くの量子井戸層の表面によってテクスチャ出しされ、該上部層はp-型ドープされ、及び該上部層は第二接点に電気的に結合され、
これらのものからなる発光ダイオードを備え、
前記第一の及び第二の接点との間の装置を通して電流を通すことであって、該ダイオードのエレクトロルミネセンス・スペクトルは前記電流によって制御される工程からなる、発光ダイオードの発光スペクトルを制御する方法。 A substrate made of a material selected from the group consisting of sapphire, silicon carbide, zinc oxide, silicon, gallium arsenide, gallium nitride, aluminum nitride, and aluminum gallium nitride;
A first layer on the substrate comprising a group III nitride semiconductor, wherein the surface of the first layer has a randomly textured topology, the first layer is n-doped, and the first layer Is electrically coupled to the first contact,
One or more quantum well layers alternating with the barrier layers and textured by the surface of the first layer, the barrier layers comprising a III nitride semiconductor and the quantum well layers comprising a group III nitride semiconductor Become
A top layer comprising a group III nitride semiconductor, wherein the top layer is textured by the surface of the quantum well layer furthest from the first layer, the top layer is p-type doped, and the top layer is Electrically coupled to two contacts,
It has a light emitting diode consisting of these things,
Passing an electric current through the device between the first and second contacts, the electroluminescence spectrum of the diode comprising a step controlled by the current, controlling the emission spectrum of the light emitting diode Method.
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